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génération par duoplasmatron et étude du potentiel

1. 40 20 Courant a ions nA 1 0x10 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 Pression p mbar Figure 4 10 Courant a ions F Cl Br et en fonction de la pression Le champ magn tique et le courant d arc sont constants Des fluctuations de courant ont ete mesurees pour F Neanmoins un maximum de courant de 66nA une pression de 410 mbar a t d termin En comparaison un courant maximal F de 3 pA mesur au niveau de l chantillon sur un SIMS IMS4f a t g n r dans un duoplasmatron filament chaud 118 A la m me pression un maximum du courant l de 11 nA a t d tect tandis que la valeur du courant maximal de Cl et Br tait d cal e vers des 88 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I pressions plus basses savoir 4 nA pour Cl et 5 4 nA pour Br pour une pression de 3 110 mbar Pour des pressions trop basses la densit de particules diminuait dans le plasma et en cons quence le courant ions chutait A des pressions trop lev es l ionisation des particules dans le plasma tait moins prononc e ce qui r sulte galement en un courant d ions plus faible Dans tous les cas le courant d ions est tr s sensible la pression de gaz dans le duoplasmatron 4 7 3 Brillance La brilance du duoplasmatron pour les diff rents ions est montr e dans Figure 4 11 Une brillance maximale de 200 A cm sr a
2. 4 6 1 Diametre L influence du courant d arc sur le diam tre des faisceaux E Cl Br et l a t analys e Figure 4 6 Suite des instabilit s des diff rents plasmas la valeur minimale des courants d arcs ajust s n est pas identique pour les diff rentes especes Le faisceau F etait seulement stable pour un courant d arc entre 120 et 150 mA Compare avec les autres especes le diametre du faisceau F etait le plus petit Le diametre minimal de 500 um a t mesure pour un courant d arc de 140 mA L augmentation du diametre a 150 mA est li e une transition du plasma refl t e par des brusques variations de courant 82 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I _ F _ a 1000 4 Br w 900 800 700 600 500 A 60 80 100 120 140 160 Courant d arc mA Diametre du faisceau D um Figure 4 6 Variation du diam tre des faisceaux F Cl Br et en fonction du courant d arc appliqu Le champ magn tique et la pression sont constants Le diam tre minimal pour Cl a t trouv pour un courant d arc entre 70 et 90 mA Pour des courants d arc tellement faibles le plasma tait cependant seulement stable pendant 5 minutes Le plasma ne devenait stable qu partir de 100 mA de courant d arc venant un diametre de 710 um Au dessus de 110 mA une forte augmentation du diametre du plasma a t observ e Le m me p
3. 2 3 1 Les ions positifs L ionisation par impact d lectrons est un processus d ionisation fondamental dans le plasma Les lectrons sont acc l r s par un champ lectrique Si l nergie des lectrons est assez lev e l ionisation des atomes neutres se fait par des collisions avec des electrons L nergie Emin minimale exprim e en V n cessaire pour ioniser des atomes est donn e par le potentiel d ionisation U des atomes dans le plasma 108 E eU 2 11 La probabilit d ionisation augmente avec la section efficace d ionisation 109 et avec l nergie d impact des lectrons a partir de Emin jusqu a un maximum d nergie d environ trois quatre fois l nergie d ionisation Dans un plasma 42 Chapitre 2 Le duoplasmatron le maximum de la distribution en nergie E des electrons est d crit partir de leur energie thermique par la formule E IKT 2 12 L ionisation est la plus efficace si la temp rature T des electrons correspond a une nergie qui est plusieurs fois le potentiel d ionisation du gaz Le potentiel d ionisation dun gaz d pend des l ments contenus dans le gaz Dans une premiere approximation on peut d finir une moyenne du potentiel d ionisation correspondant une nergie de 15 eV tandis que le maximum de la distribution en temp rature des lectrons est donn pour des nergies entre 1 10 eV 108 Donc la plupart de l ionisation par impact d lectrons se fait par les
4. 20 1 de la surface a d j t constat e a partir de faibles pressions de soufflage Oz 6 610 mbar Suite la saturation en oxyg ne une augmentation du rendement utile de l In et du P en fonction de la pression de soufflage ne pouvait pas tre mesur e Malgr la concentration superficielle plus lev e en oxygene aucune diff rence entre les rendements utiles de l In mesur s pour le soufflage O2 compar au soufflage SFg ne pouvait tre constat e Ainsi un rendement utile de 3 3 10 t mesur pour les deux s ries d exp riences Pour le phosphore un rendement utile l g rement plus lev 910 a t mesur pour le soufflage SFe par rapport celui 410 mesur pour le soufflage Oz Aucune explication n a t trouv e pour expliquer ce comportement 137 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I 5 10 Conclusions Le rendement de pulverisation de differents echantillons semi conducteurs et m talliques a t mesur sous bombardement O F Cl Br et l Le rendement de pulv risation augmente avec la masse des ions incidents La d termination de la concentration surfacique des halog nes en utilisant un modele de r tention basique donnait une bonne approximation pour les chantillons m talliques Suite des processus de d capage des semi conducteurs qui ne sont pas consid r s par le modele de retention la d termination de la concentration surfacique de
5. 26 27 28 29 30 31 32 144 Y Gao l Ardelean D Renard B Rose Y Jin Appl Surf Sci 50 1991 131 P Chen T Janssens W Vandervorst Appl Surf Sci 252 2006 7239 M Perego S Ferrari M Fanciulli Appl Surf Sci 252 2006 7236 K Li J Lin A T S Wee K L Tan Z C Feng J B Webb Appl Surf Sci 99 1996 59 R Asomoza O Merkulova A Merkulov M A Vidal B Salazar Appl Surf Sci 126 1998 205 L Houssiau R G Vitchev T Conard W Vandervorst H Bender Appl Surf Sci 231 232 2004 585 S Suzuki H Shibata M Ito T Kimura Appl Surf Sci 255 2008 1327 S Lozano Perez M Schr der T Yamada T Terachi C English C Grovenor Appl Surf Sci 255 2008 1541 G Gillen A Fahey M Wagner C Mahoney Appl Surf Sci 252 2006 6537 o Chandra Appl Surf Sci 231 232 2004 467 J N Audinot M Senou H N Migeon M Many Appl Surf Sci 255 2008 1185 J N Audinot S Schneider M Yegles P Hallegot R Wennig H N Migeon Appl Surf Sci 231 232 2004 490 W R mer T Wu P Duchambon M Amessou D Carrez L Johannes J Guerquin Kern Appl Surf Sci 252 2006 6925 Sputtering by particle bombardment Ill R Behrisch and K Wittmaack Springer Verlag 1991 J Lorincik Z Sroubek Appl Surf Sci 255 2008 1201 F Millot N Yan J Phys Chem 58 1997 63 R Levi Setti K L Gavrilov P
6. ccc cecceceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 90 4 9 Contamination et nettoyage de la source nnannennnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnne 92 A OSC ONCU TON ae HET 93 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F CF Br etl 95 SEN LA lee e 861 EE 95 e Eet e 95 5 3 Gorngdilions analyligues cie cie EE ee 97 5 4 M thodologie pour d terminer le rendement de pulv risation et le rendemen ace EE 99 94 T Pronadge en ele elle 99 5 4 2 D termination du rendement de pulv risation Y et du rendement LIS UY e EEN 100 9 4 3 Ihcertitudes de mesure iia cacao da ae aan ee nt 102 5 5 Le rendement de pulv risation ano nnnnnnnnnnnnnnnnn 102 5 5 1 R sultats exp rimentaux cccc cece sec eeeeeeeeeeeeeeeseeeeeseeeeeseeeeeeeees 102 39 2 SEO EE TRIM euer 106 5 5 3 Comparaison entre r sultats exp rimentaux et TRIM 107 5 6 Concentration des ions primaires implant s 110 5 6 1 Approximation bas e sur le rendement de pulv risation 110 5 6 2 D termination par Spectroscopie d Electrons Auger AES 114 5 6 3 Comparaison et discussion 114 5 7 Rendement utile lessen nennen 115 5 7 1 R sultats exp rimentaux ccccccecceeceececeeeeeeceeeeeceeceeseeseesaees 115 5 7 2 Validit du modele d ionisation effet tunnel lectronique 121 90 1 218 23 a1 Eeer 125 5 9
7. chantillon faisceau rouge dans Figure 1 2 b Le faisceau primaire est filtr en masse par un champ magn tique appel PBMF Primary Beam Mass Filter 47 Apr s la s paration en masse des ions primaires l allure du faisceau primaire est enti rement contr l e par les lentilles L4 Lo L3 les stigmateurs et les d flecteurs de la colonne primaire L intensit du faisceau est contr l e par les lentilles L4 et L2 et le diaphragme D Figure 1 3 D D Echantillon Diametre de la source a lions L L L Figure 1 3 Trajectoire du faisceau a travers les lentilles L4 L2 et L4 et les diaphragmes D et D de la colonne primaire du SIMS IMS4f En m me temps les aberrations spatiales du faisceau sont diminu es l aide du diaphragme D Avec le diaphragme D la resolution en masse des ions primaires peut tre augment e si n cessaire Le faisceau est finalement focalis avec la lentille L3 sur la surface de l chantillon Cette configuration permet une transmission maximale des ions primaires travers la colonne primaire La zone de pulv risation maximum 500 x500 um la surface de l chantillon est ajust e par le balayage du faisceau ions primaires Les analyses sont effectu es en mode dynamique flux d ions primaires de 210 ions cm s Plus qu une couche atomique est pulv ris e par seconde 11 Chapitre 1 La technique SIMS La s paration achromatique en masse des ions ject s de l cha
8. des ions secondaires est mesur e par des d tecteurs 4 La technique SIMS est subdivis e en SIMS statique et en SIMS dynamique 5 En SIMS statique la dose d irradiation max 10 ions cm est tellement faible que seulement une partie de la premi re monocouche est analys e Le temps entre deux impacts d ions primaires est suffisamment lev pour que les cascades de collisions provoqu es entre deux impacts successifs n interf rent pas La zone d impact est tr s peu endommag e et les mol cules de la surface sont peu fragment es SIMS statique est donc utilis pour l analyse d extr me surface et pour obtenir des informations organiques En SIMS dynamique les doses d irradiation 10 9 10 ions cm sont beaucoup plus lev es La vitesse de pulv risation est nettement plus importante et la composition de la cible peut tre suivie jusqu une profondeur de quelques um Par contre l information mol culaire est d truite 1 2 2 Domaines d application de la technique SIMS La technique SIMS est particulierement sensible ce qui la rend int ressante dans le cadre d analyse de surface pour la d tection et la localisation d l ments avec des concentrations du ppm 2 6 voire du ppb 7 Une autre application du SIMS est la r alisation de profils en profondeur qui revelent la distribution d un ou de plusieurs l ments en fonction de la profondeur dans l chantillon 8 9 Le profilage en profondeur peut tre utili
9. lectrons poss dant des nergies lev es Contrairement aux lectrons primaires avec une temp rature lev e dans le plasma les lectrons secondaires lib r s des particules neutres pendant l ionisation ont une temperature plus basse Ils sont consid r s comme des electrons froids La puissance n cessaire pour maintenir la d charge doit compenser la perte en nergie des lectrons primaires pendant les collisions 2 3 2 Les ions n gatifs Entre tous les processus de cr ation d ions n gatifs le processus dominant est l attachement des lectrons thermiques des atomes ou des mol cules Le processus est diff rent si on consid re un atome ou si on consid re une mol cule Le processus le plus probable pour g n rer un ion n gatif partir d un atome est donn par impact lectronique La g n ration d un ion n gatif est possible si l nergie d impact fournie a l atome peut tre transmise par collision une particule tiers 110 Dans le cas des mol cules l nergie d impact de l lectron incident peut tre transform e en nergie de rotation et en nergie de vibration de la mol cule L nergie de dissociation de la mol cule ionis e est plus faible que celle de la 43 Chapitre 2 Le duoplasmatron mol cule neutre La mol cule devient instable et une dissociation de la mol cule en un ion atomique et un fragment de la mol cule est possible 105 Le processus d attachement d un lectron
10. Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I A partir de l ion positif CHCIF2 le processus de dissociation suivant t trouv 153 CHCIF gt Cl CHF 4 3 Une nergie de dissociation de 0 27 eV a t d termin e La g n ration d ions CI dans le duoplasmatron est suppos e tre bas e sur ces processus dionisation l a t remarqu que la generation des ions F n tait pas favorable en utilisant le gaz CHCIF2 4 2 3 Br et L Bien que le brome et l iode purs soient corrosifs et toxiques concentration d exposition autoris e dans l air 0 1 ppm la manipulation du brome et de ode est rendue plus simple par son tat liquide respectivement solide des conditions ambiantes La formation des ions Br et I partir de la mol cule ionis e se fait par le processus 154 Br Br Br 4 4 Lolth Contrairement aux autres elements du tableau p riodique la mol cule ionis e ne doit pas tre excit e vibrationnellement avant le processus de dissociation 155 Bien que le maximum de la section efficace d ionisation pour g n rer des ions Br et I par impact lectronique ait t trouv pour une nergie de 60 7 0 eV 156 157 l nergie d impact du processus d attachement d un lectron aux mol cules Br et l ainsi qu aux atomes Br et n est que de quelques eV 158 69 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions prim
11. Mass opectrom 264 2007 70 K Wittmaack Surf Sci 112 1981 168 K Wittmaack Appl Surf Sci 203 204 2003 20 Handbook of lon Sources Bernhard Wolf CRC Press Boca Raton 1995 J L Delcroix A Bers Physique des plasmas 1 CNRS editions 1994 M A Lieberman A J Lichtenberg Principles of plasma discharges and materials processing second edition Wiley Interscience 2005 C M Braams P Zieske M J Kofoid Rev Sci Instrum 36 1965 1411 H Zhang lon Sources Springer 1999 J R J Bennett High Charge State Heavy lon Sources Nucl Sci IEEE Transactions 18 1971 55 W Demtroder Experimentalphysik 2 Elektrizitat und Optik Vol2 Springer Berlin 1999 Manfred von Ardenne Tabellen der Elektronenphysik lonenphysik und Ubermikroskopie Bd 1 Hauptgebiete VEB Dt Verl d Wissenschaften 1956 K Prelec T Sluyters M Grossman IEEE Transactions on Nuclear Science NS 24 1977 1521 C D Coath J V P Long Rev Sci Instrum 66 1995 1018 C D Moak H E Banta J N Thurston J W Johnson R F King Rev Sci Instrum AIP 30 1959 694 L P Veresov O L Veresov M I Dzkuya Y N Zhukov G V Kuznetsov IA Tsekvava Tech Phys 46 2001 1256 149 Bibliographie 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 150 B K Kondratev V I Turchin Instruments and
12. P Sigmund Appl Phys 25 1981 307 V I Shulga W Eckstein Nucl Instrum Methods in Phys Res B 145 1998 492 W Eckstein V I Shulga Nucl Instrum Methods in Phys Res B 164 165 2000 748 M A Karolewski R G Cavell Appl Surf Sci 193 2002 11 H A Storms K F Brown J D Stein Anal Chem 49 1977 2023 V R Deline C A Evans amp P Williams Appl Phys Lett AIP 33 1978 578 K Franzreb P Williams J Lorincik Z Sroubek Appl Surf Sci 203 204 2003 39 H Gnaser Nucl Instrum Methods in Phys Res B 212 2003 407 H Gnaser R Golser W Kutschera A Priller P Steier amp C Vockenhuber Appl Surf Sci 231 232 2004 117 R Brako D Newns Surf Sci 108 1981 253 M L Yu and N D Lang Phys Rev Lett 50 1983 127 M L Yu J Vac Sci Technol A 1 1983 500 A Wucher Appl Surf Sci 255 2008 1194 D V Klushin M Y Gusev LE Urazgildin Nucl Instrum Methods in Phys Res B 100 1995 316 P Philipp Th se Analyses quantitatives par SIMS dans le mode secondaire n gatif 2005 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 Bibliographie K Franzreb J L rinc k P Williams Surf Sci 573 2004 291 P Philipp T Wirtz H N Migeon H Scherrer Int J Mass opectrom 253 2006 71 P Philipp T Wirtz H N Migeon H Scherrer Int J
13. Par contre la concentration calcul e d vie fortement de la concentration de saturation de 66 atteinte pour une surface CuX X F Cl et Br En plus il faut noter que suite la formation d une couche Cul possible la concentration en iode est inf rieure cele mesur e pour les autres halog nes tout en accord avec une concentration de saturation plus faible de 5096 pour l iode Contrairement aux autres matrices les concentrations de l oxyg ne et des halog nes la surface Ag sont faibles En raison de l inertie chimique de l Ag les concentrations superficielles de la figure 1 8 sont surestim es cf chapitre 5 6 2 Tableau 5 2 113 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I 5 6 2 Determination par Spectroscopie d Electrons Auger AES Une determination plus exacte de la concentration surfacique C des especes implant es pendant le bombardement a ions O et F des matrices Si Ge Ag GaAs et InP a t r alis e par spectroscopie Auger AES des fonds de crat re Les analyses ont t r alis es avec un courant d lectrons de 4 nA une nergie de 10 keV Un angle d incidence de 30 et un angle de collection de 30 des electrons Auger r f renc s par rapport la normale la surface ont t ajust s La r solution lat rale tait inf rieure 100nm Les r sultats sont montr s dans le Tableau 5 2 Tableau 5 2 Concentration superficielle de l oxyg ne et du fl
14. Yves David et Oleksiy pour les discussions utiles lors des pauses caf Merci galement Catalina pour son soutien scientifique et moral dans le labo Mes remerciements s adressent aussi Patrick pour ses pr cieux conseils et Beatrix Nora Quyen Ludovic Peter Andrei et Antoine pour leur bonne humeur durant ces ann es de travail Que Rachid et Mathieu soient remerci s pour leurs avis et leurs bricolages Merci galement aux membres de l quipe qui m ont accompagn temporairement au cours de ma th se Audrey Fr deric et Christophe Je voudrais aussi remercier Nathalie Jean Nicolas et Gilles pour leur aide et leurs conseils tout au long de cette th se Je tiens aussi remercier l quipe des techniciens sp cialement Arnaud Alain et Samir qui m ont assist plusieurs fois r parer les instruments Merci galement l quipe de Traitement de surface David pour ses discussions interessantes Nicolas Juliano et Remy pour leur soutien Merci aussi l quipe Auger notamment J r me S bastien et Joffrey pour leur appui pendant les mesures Auger Merci au personnel administratif pour leur pr sence et leur collaboration pendant mon travail Merci galement au Minist re de la Culture de l Enseignement Sup rieur et de la Recherche du Luxembourg et au Fonds National de la Recherche Service AFR pour leur soutien financier Finalement je tiens remercier mes paren
15. alis dans un r servoir en inox r sistant toute sorte de corrosion A temp rature ambiante les deux l ments s vaporent d j une pression inf rieure 10 bar Il a t remarqu que le plasma tait plus stable en chauffant le r servoir une temp rature de 60 C L injection du brome et de ode gazeux dans le duoplasmatron a t contr l e par une vanne micro fuite similaire au systeme utilis pour le gaz CHCIF 4 2 6 Esp ces extraites des diff rents plasmas A part des ions F Cl Br et I d autres ions sont g n r s dans le plasma Pour avoir une id e des ions g n r s dans le plasma ceux ci ont t extraits de la source et s lectionn s selon leur rapport masse charge l aide du filtre de masse PBMF PBMF voir chapitre 3 2 Seulement les ions n gatifs ont t mesur s dans cette tude Une vue globale des diff rents ions g n r s en fonction du m lange de gaz inject se trouve dans le Tableau 4 1 71 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Tableau 4 1 Esp ces extraites des diff rents plasmas O2 SFe O CHCIF O F Oz Fo S ions d tect s SF x 1 6 FO SFO SO IFO F2 Cl HCF O O72 Br BrO Bro O O5 l lO l2 Tandis que les conditions du plasma ont t optimis es pour la g n ration des ions F Cl Br et I le courant des autres ions y inclus les ions halog nures contenant de l o
16. concentration de l oxyg ne et du fluor a rendement utile de l indium et du phosphore b 137 159 Table des Figures 160 Liste des Tableaux Liste des Tableaux Tableau 2 1 Affinit lectronique de l oxyg ne et des halog nes 105 44 Tableau 3 1 Parametres ajustes pour la d termination de la brillance 65 Tableau 4 1 Esp ces extraites des diff rents plasmas 12 Tableau 4 2 Conditions exp rimentales ajustees pour l tude en fonction du CHAMPA a GINS UCU C zeug 76 Tableau 4 3 Calcul du rapport entre les masses et les courants 80 Tableau 4 4 Resume des conditions exp rimentales ainsi que des r sultats trouves POUCO FeR Bt Eileen 91 Tableau 5 1 R sum des valeurs du travail de sortie des matrices consid r es ainsi que du potentiel d ionisation des diff rents elements analyses anne 96 Tableau 5 2 Concentration superficielle de l oxyg ne et du fluor pour les diff rentes matrices semi conductrices et pour l argent mesures par spectroscopie Auger et d termination par le modele de r tention basique de l quation 5 4 en utilisant le rendement de pulv risation Y mesur exp rimentalement 114 161 162 INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE AUTORISATION DE SOUTENANCE DE THESE DU DOCTORAT DE L INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE olo VU LES RAPPOR
17. ions Les dimensions du banc test et par suite l agrandissement de la source induite par la lentille ont t choisis de facon ce que le diametre du faisceau dans le plan de mesure soit suffisamment grand pour tre mesur avec une resolution adequate et sans avoir trop d aberrations Le facteur d agrandissement Ma se calcule par le rapport entre la distance a 60 cm entre la lentille et le plan de focalisation et la distance b 42 cm entre la source et la lentille Figure 3 1 14 3 3 Un diaphragme avec un diametre de 150 um est plac entre la lentille et le plan de mesure Celui ci sert limiter les aberrations sph riques du faisceau et fixer l angle d ouverture a du faisceau utilis afin de permettre le calcul de la brillance La distance entre le diaphragme et le plan de focalisation est de 38 cm ce qui m ne a 2x 10 rad Un mouvement x y permet de centrer le diaphragme par rapport l axe optique 3 3 D tection des ions Le courant d ions est mesur l aide d une cage de Faraday qui se trouve derri re la lame de rasoir Le positionnement de cette cage de Faraday par rapport au faisceau se fait par un syst me de translation x y z La cage de Faraday est connect e un pico amperemetre Keithley Keithley 6478 Picoammeter Voltage Source Pour visualiser le faisceau il est n cessaire de sortir la cage de Faraday de la trajectoire du faisceau La visualisation qui se fait l aide d une galette
18. litt rature Parmi les diff rents types de duoplasmatrons qui fonctionnent en mode ac ou dc 115 118 les deux configurations les plus utilis es en SIMS sont le duoplasmatron cathode chaude 119 et le duoplasmatron cathode 44 Chapitre 2 Le duoplasmatron froide 104 En SIMS ces deux types de duoplasmatrons sont alimentes en mode dc Dans le duoplasmatron a cathode chaude les ions sont g n r s par impact d lectrons mis par un filament chaud Le d savantage de ce type de duoplasmatron pour la g n ration des ions halogenes utilises dans cette these est la corrosion et donc la rupture du filament 120 Dans le duoplasmatron cathode froide des electrons sont cr s par un champ lectrique entre la cathode et l anode Ce type de duoplasmatron est utilis dans le cadre de cette th se Un sch ma du Duoplasmatron se trouve dans la Figure 2 1 Duoplasmatron Anode l Electrode d extraction Electrode Bobine interm diaire Plasma haute nu densit Melange a lons de Gaz De primaires Plasma Cathode faible densit Bobine 400V 10kV Figure 2 1 Sch ma du duoplasmatron Dans le duoplasmatron se trouvent deux r gions de plasma qui ont une densit ionique diff rente Le plasma faible densit ionique est g n r entre la cathode et l lectrode interm diaire colonne de la cathode Ce plasma est restreint m caniquement par la forme conique de l lectrode i
19. mbar Le courant O tait 10 7 nA et le diam tre mesur valait 510 um Une forte augmentation du diametre ainsi qu une baisse du courant O menaient une brillance plus faible quand la pression tait sup rieure 2 410 mbar 4 5 Etude en fonction du champ magn tique L tude en fonction de l intensit du champ magn tique a t r alis e suivant les conditions exp rimentales d taill es dans le Tableau 4 2 Tableau 4 2 Conditions exp rimentales ajust es pour l tude en fonction du champ magn tique 76 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I 4 5 1 Diametre Les diam tres des faisceaux F Cl Br et l ont t d termin s en fonction du champ magn tique Figure 4 3 Seulement une faible variation en diam tre a t observ e pour F et l Pour Cl et Br l effet du champ magn tique sur le diametre du faisceau est plus important Une expansion du plasma dans la source ou au moins dans la zone d extraction des ions est suppos e pour des tensions sur la bobine en dessous de 10 V 125 160 Une transition du plasma a t observ e par une baisse abrupte du courant Cl pour des tensions au del de 15V Cette transition de plasma s accompagne d une augmentation du diam tre du faisceau En comparant les diam tres minimaux des faisceaux ions F pr sente le plus faible diametre avec 530 um 10 V suivi par Br avec 690 um 25 V Vu le comportemen
20. micro canaux coupl e un cran fluorescent sert lors de l alignement optique du banc test 61 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions 3 4 Mesure du diametre et d termination de la brillance Le diametre du faisceau est mesur l aide d une lame de rasoir dans le plan de focalisation La lame de rasoir est mont e sur un manipulateur vis microm triques qui permet de d placer la lame dans le plan perpendiculaire au faisceau Pour mesurer le diametre du faisceau la lame traverse la trajectoire du faisceau Le diam tre du faisceau est d fini par la distance de d placement de la lame n cessaire pour varier l intensit du faisceau entre 90 et 10 9o de son intensit totale Figure 3 4 loo I 0 bow bo max lame de a E E E H u isceau a 25 1m courant ions O nA 20 15 zd E 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Ei O O c D D TD TD S 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 distance de d placement um b Figure 3 4 Mesure du diametre du faisceau a proc dure exp rimentale b exemple de courbe exp rimentale Le trac de dl ddistance permet de remonter au profil du faisceau 62 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions La brillance B d une source a ions d pend du courant ionique de l angle solide O et
21. no enhancement of the useful yield could be noticed for the semi conductors For metals however e g Ni Cu and Ag useful yield enhancements by up to a factor of 100 compared to the O bombardment could be demonstrated Keyword SIMS duoplasmatron brightness sputtering yield surface concentration useful yield
22. pour l analyse d chantillons marqu s isotopiquement et pour la datation p ex en g ologie 29 30 Figure 1 1 Analyse isotopique d une cellule de souris r alis e par le NanoSIMS 50 Distribution de l l ment P a de l l ment b et la superposition des deux images c 25 Des accumulations d iode dans la cellule thyroide sont indiqu es par des fleches Chapitre 1 La technique SIMS 1 2 3 Les avantages et les inconv nients de la technique SIMS Dans le domaine de l analyse de surface un des avantages de la technique SIMS est la d tection et la localisation d l ments faible concentration Un autre point fort du SIMS est sa bonne r solution en profondeur et lat rale Tandis que le bombardement ionique faible nergie conduit une r solution en profondeur qui peut atteindre l ordre du nanometre 3 le bombardement ionique avec un faisceau finement focalis m ne une bonne r solution lat rale allant jusqu 50nm 31 33 Un autre avantage de cette technique est sa dynamique importante qui se traduit par un suivi des concentrations sur plusieurs ordres de grandeurs La bonne r solution en masse de la technique SIMS d passant M AM gt 50000 34 permet de r aliser des analyses isotopiques avec une tres grande pr cision en liminant les interf rences en masse La simplicit de la pr paration d un chantillon est un autre avantage de la technique SIMS Un des crit res n cessaires pour
23. s physiques du plasma les caract ristiques sp cifiques du duoplasmatron ainsi que ses param tres de manipulation seront expliqu s 2 2 Le plasma Le plasma identifi en 1879 par Sir William Crookes est le quatrieme tat de la mati re suivant l tat solide liquide et gazeux Tandis que dans un gaz les particules individuelles sont des mol cules et ou des atomes le plasma est caract ris par trois types de particules les ions les lectrons et les neutres D la charge des particules dans le plasma il faut consid rer les interactions des particules avec les champs lectrique et magn tique induits par ceux ci pour d crire les propri t s physiques du plasma 3 Chapitre 2 Le duoplasmatron 2 2 1 Le taux d ionisation du plasma Dans le cas le plus simple on considere que le plasma ne contient que des ions positifs et des electrons La densite des ions positifs en particules par cm est not e n et celle des lectrons est not e ne La neutralit globale du plasma exige que la densit des charges positives soit gale la densit des charges n gatives n n Dans un mod le plus exact du plasma des ions charges multiples q 1 2 et des ions charge n gative q 1 avec leur densit correspondante nj et des particules neutres avec la densit n sont consid rer La densit des ions et des lectrons n est plus la m me mais la neutralit du plasma implique que 104 2 qN
24. t d termin e pour F une pression de 4 6 10 mbar La brillance maximale de 21 6 A cm sr du faisceau l mesur e une pression de 4 10 mbar est d un ordre de grandeur plus basse que pour F Les brillances maximales pour CI et Br ont t mesur es pour des pressions plus faibles savoir 8 5 A cm sr 3 110 mbar pour CF et 14 3 A cm sr 2 810 mbar pour Br Suite la sensibilit du courant d ions par rapport la pression de gaz dans le duoplasmatron une forte variation de la brilance a t observ e en fonction de la pression de gaz dans le duoplasmatron 89 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I 200 160 120 80 2 Brillance B A cm sr a 20 1 0x10 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 Pression mbar Figure 4 11 Brillance du duoplasmatron pour F Cl Br et en fonction de la pression Le champ magn tique et le courant d arc sont constants 4 8 R sum des r sultats exp rimentaux Un r sum des conditions exp rimentales ainsi que des r sultats trouv s pour O F Cl Br et est donn dans le Tableau 4 4 La brillance du duoplasmatron en mode O a t d termin e dans les conditions optimales du courant d arc et du champ magn tique indiqu es par CAMECA cf section 4 4 En comparant les r sultats obtenus pour les diff rentes especes la brillance maximale a t mesur e pour F 162 Celle ci est c
25. 144 145 146 14 7 148 149 150 Bibliographie J J Le Goux H N Migeon Secondary lon Mass Spectrometry IIl A Benninghoven J Giber J L szl M Riedel H W Werner Eds Springer Verlag Berlin 1981 p 52 J H Moore C Christopher D Michael A Copelan Building Scientific Aparatus third edition Perseus books Cambridge 2002 chap 5 K J Hanszen R Lauer dans Focusing of charged particles Vol A Septier Academic Press New York 1967 J Park N Lee J Lee J Park H Park Microelectron Eng 82 2005 119 J W Bartha J Greschner M Puech P Maquin Microelectron Eng 27 1995 453 A Settaouti L Settaouti Electric Power Systems Research 80 2010 1104 H Joh T Chung K Chung Thin Solid Films In Press Corrected Proof 2010 R Kersting B Hagenhoff P Pijpers R Verlaek Appl Surf Sci 203 204 2003 561 R Kersting B Hagenhoff F Kollmer R Mollers E Niehuis Appl Surf Sci 231 232 2004 261 M S Wagner G Gillen Appl Surf Sci 231 232 2004 169 C M Mahoney S Roberson G Gillen Appl Surf Sci 231 232 2004 174 K Hiraoka A Shimizu A Minamitsu M Nasu S Fujimaki S Yamabe Chem Phys Lett 241 1995 623 S Matejcik P Eichberger B Plunger A Kiendler A Stamatovic T D Mark Int J Mass Spectrom 144 1995 L13 L G Christophorou J K Olthoff Int J Mass Spectrom 205 2001 27 K C Lob
26. 650 T o UE 140 C a 4 A A 5 o E A be Su o 1204 hi ok a e e z A 600 E om 20 600 A A e e amp eo m 100 A A e 3 g tg A e A o 586 100 S c e o 550 o 8 550 LU E e 5 80 60 4 500 a 500 60 40 e Ba Coa m e 450 450 4 NE 40 m E E E 20 E i gm onm E m i r r r T r T 400 20 r T i T r T T T r T 400 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 Pression p mbar Pression p mbar 220 800 220 800 150mA 200 200 arc 750 _ 20V 750 bobine 180 180 700 700 160 T 160 aS ZT D o E ca 140 650 E 440 650 o 8 a o 5 o Sz o amp 120 E 120 dm eo amp E 600 ES 8 5 8 SS 100 5 amp 100 5 8 550 d S 550 a E 80 E 80 A 60 500 60 500 40 450 450 204 m BH 20 T T T T T T T T T T 400 T T T T T T T T T T 400 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 Pression p mbar Pression p mbar 220 800 220 800 150mA 200 ae atit 150mA J U ne 29V 750 U opine 30V 750 A 180 180 1 A 700 T 700 e 1607 E 160 5 7 o T5 5 1404 A 650 S SR 140 650 Sz 2 E m 1204 A A 2 amp 120 e e a 600 m 600 S o 58 5 G 1004 2 100 Gr d 1 550 E 8 550 80 A A A 9 ge S t 80 a 1 A e e 60 500 60 500 4 e J e ER ew RR 450 an 450 E gm u B B m E g B 204 20 T T T T T T T T T
27. AU HY 34 Figure 1 15 Rendement utile des l ments B Si et Al en fonction de la concentration oxygene a la surface Les l ments B et Al ont t implantes dans la matrice de Si 99 35 Figure 2 1 Sch ma du duoplaematron 45 Figure 2 2 Diagramme de la configuration des lectrodes du duoplasmatron 1 Colonne de la cathode 2 colonne de l anode K cathode lE electrode interm diaire A anode C cage d expansion Ext extraction B z profil axial du champ magn tique avec les poles A etlEIZIl 46 Figure 2 3 sch ma du profil de potentiel de d charge le long de l axe dans le mode de l arc normal 1 plasma de la cathode K 2 plasma de l lectrode interm diaire IE 3 plasma de l anode A Vk potentiel pr s de la cathode V g saut de potentiel l interface de constriction Vy diminution du potentiel pr s de lanode l courant d ions aux bouts de la colonne de l anode 122 47 Figure 2 4 Influence du gaz sur l intensit du courant ions et sur le mode ADAM des Arc AA ee 52 Figure 3 1 Banc test avec la trajectoire du faisceau 56 Figure 3 2 Calibrage du filtre de masse PBMF La courbe noire est la courbe de calibrage calcul e partir du champ magn tique correspondant la masse O Les points rouges correspondent diff rents points exp rimentaux cceccecceeeceeeeeeseeteeee
28. CI ainsi que 51 pour Br contre 49 pour Br et rectifier le courant mesur pour d duire le courant total des ions Cl et Br g n r dans le duoplasmatron Des masses moyennes de 80 amu pour le brome et 35 5 amu pour le chlore ont t consid r es pour les calculs Le Tableau 4 3 pr sente les rapports calcul s Tableau 4 3 Calcul du rapport entre les masses et les courants Un bon accord par rapport l quation 4 5 a seulement t trouv entre le rapport des masses et des courants entre Br et Pour ces ions l quation 4 5 valable pour les faisceaux a ions positifs a aussi ete verifiee pour les faisceaux ions n gatifs 80 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I 4 5 3 Brillance Figure 4 5 montre l volution de la brillance avec le champ magn tique Les valeurs de la brillance ont t calculees partir des diametres et courants d termin s dans le chapitre 4 5 1 et 4 5 2 M me si le maximum du courant ions F a t mesur a 15 V une brillance maximale de 200 A cm sr est trouv e pour une tension de 10 V Ce maximum de la brillance est li au minimum du diametre du faisceau Pour Cl une brillance maximale de 4 5 Alcm sr 15 V a t mesur e La brillance de CT tait la plus faible parmi les esp ces consid r es Br pr sente des variations de brillance assez fortes en cons quence des importantes variations du courant et
29. De m me que pour l analyse de l InP le rendement utile du Ga 610 As 2 110 et du Ge 2 810 ne variait que faiblement en fonction de la pression de soufflage Suite des processus de d capage une augmentation de la concentration superficielle en fluor ne pouvait pas tre obtenue En cons quence aucune variation du travail de sortie des diff rentes surfaces ne pouvait tre r alis e et ainsi une augmentation du rendement utile des l ments analys s ne pouvait pas tre not e Finalement des exp riences de soufflage SFe et O2 pendant le bombardement F de la surface InP ont t r alis es Figure 5 18 136 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Matrice InP 30 Soufflage SF F 25 Soufflage O e O Concentration C 96 N c1 O E g gp E gp a 0 a gt 2 10 2 5 107 5 40 Soufflage SF e UY n e Up iy Soufflage O A UY n v UY P c Y 10 b 1E7 1E6 1E5 1E4 Pression de soufflage p mbar Figure 5 18 Exp riences de soufflage Os et SF pendant le bombardement F de la surface InP concentration de l oxyg ne et du fluor a rendement utile de l indium et du phosphore b La concentration lev e en oxyg ne une pression de 1 310 mbar est li e une oxydation de la surface InP suite au contact avec l air de l chantillon pendant son transfert du SIMS vers l AES Une saturation en oxygene de
30. Experimental Techniques 43 2000 787 B K Kondratev V I Turchin Instruments and Experimental Techniques 46 2003 90 B K Kondrat ev V S Stolbunov V I Turchin Pribory i Tekhnika Eksperimenta 2004 39 42 B Rout R Greco N Pastore A D Dymnikov G A Glass Nucl Instrum Methods in Phys Res B 241 2005 382 G Gillen F Chmara dans Secondary lon Mass Spectrometry XI G Gillen R Lareau J Bennette F Stevie Eds John Wiley amp Sons Chichester 1997 M E Abdelaziz A M Ghander EEE Transactions on Nuclear Science 1967 46 C Lejeune Nuclear Instruments and Methods 116 1974 417 M G Dowsett E H C Parker Int J of Mass Spectrom 52 1983 299 C Lejeune Nuclear Instruments and Methods 116 1974 429 L E Collins R J Brooker Nuclear Instruments and Methods 15 1962 193 B Bouchy Lorentz M Remy C Muller Int J Mass Spectrom 22 1976 147 N Smith P Tesch N Martin D Kinion Appl Surf Sci 255 2008 1606 V Tondare J Vac Sci Technol A 23 2005 1498 Rapport Cameca Duoplasmatron ion sources with Cameca SIMS instruments 2003 http www peabody scientific com page 15 html http www physicon com products html http www pelletron com plusion htm Base de technique du vide calculs et tables edition 4 87 Leybold Heraeus 1987 Manuel d utilisation IMS6f CAMECA 135 136 137 138 139 140 141 142 143
31. Expernences dE SOUNIAgE E 133 D Os Oe ici U iege RN en ae 138 Conclusions et Perspectives uu22u022002000n000n0n nun nun ann nun ERR nun nnn nun 139 Ss Reis lee E 143 Ee CCS alle e d eee eee nee een E Pc ne re NS 155 kiste des TaDleaux tee 161 Introduction Introduction La spectrometrie de masse des ions secondaires SIMS est une technique d analyse de surface et de films minces avec une excellente sensibilit et une bonne r solution en profondeur Les principaux domaines d applications sont les semi conducteurs les isolants tels que des verres et des c ramiques les composites les alliages m talliques les polymeres et de plus en plus les sciences de la vie La technique SIMS se base sur la d tection des ions secondaires mis par la surface bombard e avec des ions primaires Elle rend possible une d tection de particules avec une concentration aussi faible que le ppb La technique SIMS est une technique non quantitative La sensibilit de d tection des ions secondaires d pend de plusieurs facteurs dont notamment la matrice l tat chimique de la surface de cette matrice et la nature de l l ment d tecter Comme l tat chimique de la surface change avec l implantation des ions primaires r actifs pendant le bombardement la sensibilit de d tection peut tre influenc e voire optimis e Le rendement d ionisation des particules mises change et le rendement utile des ions secondaires peut aug
32. Rendement relatif en ions secondaires positifs pour un bombardement avec des ions primaires O 13 5 keV et incidence normale Le symbole A signifie qu un chantillon compos a t utilis pour l l ment en question 88 La variation de la probabilit d ionisation positive par le bombardement avec des halogenes F Cl Br par rapport celle trouv e avec l oxyg ne sera tudi e dans cette th se 26 Chapitre 1 La technique SIMS 1 4 2 Mecanisme de formation des ions secondaires Au moment de la pulv risation des particules de la surface la structure lectronique de celles ci est perturb e L excitation lectronique induite par les collisions atomiques mene a une transition des electrons de valence entre les particules pulv ris es et la surface Cette transition se d roule dans un intervalle temporaire de 10 10 s 56 La plupart des ions secondaires poss dent une charge simple soit positive soit n gative Une double ionisation n est possible que pour quelques conditions d analyses favorables 90 91 92 Les deux mod les d crivant l ionisation les plus utilis s sont le mod le effet tunnel et le mod le de rupture de liaisons 28 Le mod le a effet tunnel est applicable pour d crire l ionisation des atomes d un chantillon conducteur ou semi conducteur dont les lectrons de la bande de conduction ne sont pas localis s tandis que le modele de rupture de liaisons explique plut t l onisati
33. Springer Verlag Berlin 1985 p 155 H N Migeon M Schuhmacher B Rasser dans Secondary lon Mass Spectrometry VII A Benninghoven C A Evans K D McKeegan H A Storms H W Werner Eds John Wiley amp sons Chichester 1989 p 879 C MILLON These Contribution l tude de proc d s de r alisation de structures m tal PZT m tal sur silicium pour microsyst mes pi zo lectriques 2003 H Lieb dans Secondary lon Mass Spectrometry Il A Benninghoven C A Evans R A Powell R Shimizu H A otorms Eds Springer Verlag Berlin 1979 p 176 145 Bibliographie 48 49 90 51 52 53 94 95 96 57 98 59 60 61 62 146 J Lorincik K Franzreb P Williams Appl Surf Sci 231 232 2004 921 G Slodzian dans Secondary lon Mass Spectrometry ll A Benninghoven C A Evans R A Powell R Shimizu H A Storms Eds Springer Verlag Berlin 1979 p 181 G Slodzian dans Secondary lon Mass Spectrometry VI A Benninghoven A M Huber H W Werner Eds John Wiley amp sons Chichester 1987 p 3 A Septier dans Applied charged particle optics Part B Academic Press New York 1980 Wirtz T These Optimisation de l analyse quantitative des mat riaux en utilisant des agr gats MCs application au d veloppement de la technique Cation Mass Spectrometry CMS 2002 V V Makarov A Y Balashov dans Secondary lon Mass Spectrometry VIII A
34. accord avec les valeurs trouv es sous bombardement CF3 dans la litt rature 188 Les m mes auteurs ont trouv une augmentation du rendement utile d un facteur 25 en utilisant un bombardement F gt 190 M me sous bombardement CI 4 810 le rendement utile est sup rieur celui mesur sous bombardement alors que les r sultats avec Br 2 7 10 sont du m me ordre que ceux avec O 119 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Seulement pour le bombardement I 3 7 107 le rendement utile est inf rieur d un ordre de grandeur celui sous bombardement O Pour le Cu le rendement utile mesur par bombardement E 1 810 est sup rieur d un facteur 6 par rapport au bombardement O 3 1107 Une augmentation d un facteur 7 9 et 17 par bombardement F2 respectivement CF3 a t trouv e dans la litt rature 188 190 Les rendements utiles mesur s sous bombardement Cl 1 2107 Br 3 310 et I 1 310 sont inf rieurs celui mesur pour O Il en r sulte une diff rence de trois ordres de grandeurs entre les valeurs obtenues sous F et Tandis que pour le nickel une concentration superficielle en fluor plus lev e par rapport la concentration en oxyg ne a t d termin e par le mod le de r tention basique ceci n tait pas le cas pour le cuivre Malgr une concentration superficielle faible en oxyg ne et en fluor mesur e par AES c f 5 6 2 le rendement utile
35. analyser un chantillon est sa compatibilit avec l ultravide Afin d viter des accumulations de charges lectriques la surface d un isolant pendant le bombardement ionique celle ci doit tre m tallis e Ces pr parations sont nettement plus faciles que celles d autres techniques d analyse comme par exemple en microscopie lectronique transmission ou l paisseur de l chantillon doit tre r duite 200 nm A c t de tous ces avantages la technique SIMS pr sente des d savantages qui la rendent complexe Les r sultats des analyses obtenus par la technique SIMS d pendent de plusieurs facteurs Au niveau du bombardement il faut consid rer la nature des ions primaires et les conditions du bombardement L ionisation des atomes pulv ris s de la matrice d pend fortement du type d ions primaires et de la composition de l chantillon matrice Ce phenomene est connu sous effet de matrice 1 35 En g n ral SIMS n est pas une technique quantitative N anmoins les probl mes de quantification peuvent tre r solus en appliquant un mod le de Chapitre 1 La technique SIMS quantification dans des conditions bien d termin es soit en utilisant des standards avec une composition proche de celle de l chantillon analyser soit par d position et par analyse des l ments sur une matrice avec des propri t s bien connues 36 38 soit en r alisant les analyses en mode MCs 39 43 Au niveau de l
36. apr s les r sultats du chapitre 5 6 1 une saturation de la surface par des ions primaires est seulement obtenue sous bombardement CO La concentration superficielle des halog nes est inf rieure celle de loxyg ne Une augmentation du rendement utile par bombardement halog nure est peut tre possible par une augmentation en concentration superficielle de ces atomes Le rendement utile du Ta mesur par bombardement oxyg ne 1 510 est sup rieur de presque un ordre de grandeur ceux sous bombardement F CF et Br qui sont entre 3 2107 et 1 810 Le rendement utile de 4 810 sous bombardement est un peu plus faible La m me baisse du rendement utile sous bombardement CF3 compar e au bombardement O a t mesur e par W Reuter 188 Selon le chapitre 5 6 1 une saturation de la surface est seulement possible sous bombardement O Notons finalement que des liaisons fortes entre les atomes de la matrice et les ions incidents sont possibles ce qui induirait une localisation des lectrons Dans ce cas le mod le effet tunnel lectronique n est plus adapt pour expliquer les processus d ionisation Ni Cu Ag Une amelioration du rendement utile des elements Ni Cu et Ag sous bombardement F par rapport au bombardement O a ete constatee Ainsi un rendement utile maximal du Ni de 1 910 sous bombardement E a t mesur Celui ci est sup rieur de deux ordres de grandeurs celui sous bombardement O 2 110 ce qui est en
37. bombardements ioniques O et F7 121 Figure 5 11 Correlation entre les rendements utiles d termin s exp rimentalement et le mod le effet tunnel lectronique pour les bombardements ioniques F CF Br et P 124 Figure 5 12 Rendement utile de Cu pulv ris de diff rentes matrices semi conductrices et de Cu m tallique Les matrices des semi conducteurs sont class es selon leur masse atomique totale 126 158 Table des Figures Figure 5 13 Rendement utile de Ti pulv ris de diff rentes matrices semi conductrices Les matrices sont class es selon leur masse 2168 11 9 10 21 06 2 ce EE 128 Figure 5 14 Rendement utile de Si pulverise de diff rentes matrices semi conductrices et de Si pur Les matrices sont class es selon la masse atomique totale 130 Figure 5 15 Rendement utile de l l ment B implant dans diff rentes matrices semi conductriceS eensnesneeesnrenrnrrrrnrrrrnrsrrrernrnenni 132 Figure 5 16 Augmentation de la concentration de l oxyg ne et du fluor a et variation du rendement utile de Si b induite par le soufflage O2 et SR RS dient ee 135 Figure 5 17 Exp riences de soufflage GE pendant le bombardement F des chantillons GaAs InP et Ge concentration du fluor a et rendement aille D EE 136 Figure 5 18 Exp riences de soufflage O2 et SFe pendant le bombardement F de la surface InP
38. chantillon l orientation cristallographique ainsi que des interf rences possibles entre les masses sont consid rer pendant une analyse L orientation cristallographique des grains a galement une influence sur le rendement de pulv risation Ce dernier d pend de la densit des diff rentes faces et comme chaque grain d un chantillon polycristallin possede une orientation diff rente le fond des crat res devient rugueux Les ions secondaires proviennent de profondeurs diff rentes ce qui diminue la r solution en profondeur 1 2 4 Les diff rents types de spectrometre de masse Les spectrometres de masse pour les analyses SIMS sont divis s en trois types utilis s selon leur domaine d application Dans les machines TOF SIMS Time Of Flight la s paration de masses est r alis e en fonction d une diff rence du temps de vol des ions secondaires L avantage du TOF SIMS est l analyse parall le de toutes les masses Par contre le faisceau primaire du TOF SIMS doit tre puls ce qui m ne diff rents d savantages L avantage d un spectrometre de masse utilisant un quadrupole pour s parer les masses consiste en sa construction simple sa petite taille et son prix faible Le desavantage de ce type de spectrometre est sa resolution en masse qui est la plus faible en comparant avec les autres types de spectrometres Le troisieme groupe de spectrometres est base sur un secteur magnetique pour separer les differentes masses Ce
39. de 14 5 keV pour des angles d incidence croissants Les simulations n ont pas tenu compte des collisions in lastiques des ions primaires avec les atomes de I3 le nennen 21 Figure 1 9 Variation du rendement de pulv risation Y du Ge bombard avec des ions primaires Ar incidence normale en fonction de la densit atomique La fl che indique la densit naturelle du Ge 80 Figure 1 10 Rendement relatif en ions secondaires n gatifs pour un bombardement avec des ions primaires Cs 16 5keV et 155 Table des Figures incidence normale Le symbole A signifie qu un chantillon compos a t utilis pour l l ment en question 88 25 Figure 1 11 Rendement relatif en ions secondaires positifs pour un bombardement avec des ions primaires O 13 5 keV et incidence normale Le symbole A signifie qu un chantillon compos a t utilis pour l l ment en question 88 26 Figure 1 12 Diagramme d nergie du mod le a effet tunnel 52 28 Figure 1 13 Diagramme nerg tique des courbes de l nergie covalente adiabatique i M X et de l nergie potentielle ionique ii M X Re est la distance d intersection des deux courbes 98 31 Figure 1 14 Profil en profondeur d une matrice de Si Les ions Si ont t g n r s par le bombardement de la matrice Si avec un faisceau ONS DIMES O aaran ne e P QR Ep Dat EYE RE DEA ERA CE
40. de l argent sous bombardement F 3 1107 est sup rieur de plus d un ordre de grandeur par rapport ceux mesur s sous bombardement O 2 310 et CF 2 2 10 Ceci est en accord avec les r sultats mesur s pour le bombardement F2 par W Reuter 188 Les rendements utiles pour Br 6 1109 et I 2 210 sont inf rieurs au rendement utile mesur pour O Pour les trois chantillons une augmentation des rendements utiles selon l lectron gativit des halog nes a t mesur e L utilisation des ions primaires contenant du fluor favorise la probabilit d ionisation des l ments qui forment seulement des liaisons faibles avec l oxyg ne 190 191 192 Dans ce contexte des liaisons fortes entre les atomes des chantillons et les halog nes sont form es En cons quence une localisation des lectrons la surface en r sulte Ainsi la probabilit d ionisation est plut t expliqu e par le modele de rupture de liaisons 120 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I 5 7 2 Validit du modele d ionisation effet tunnel lectronique La corr lation entre le comportement des rendements utiles d termin s exp rimentalement et le modele effet tunnel lectronique a t v rifi e pour les diff rents types de bombardement primaire utilis s Figure 5 10 montre cette comparaison pour O ett La valeur du travail de sortie utilis e pour la Figure 1 11 est celle de la matrice vierge i
41. de la surface S de la source c f chapitre 2 5 Figure 3 5 ourface de Courant la source ions Figure 3 5 Parametres la base de la brillance de la source B Q D 2 S n 3 4 2 B 5 2 D 2 Q 2n 1 cos a na Toc gt a Une mesure directe du diametre D de la source ainsi que de l angle solide est impossible La brillance peut cependant tre d termin e sur notre banc test en consid rant l image de la source projet e par la lentille dans le plan de mesure Figure 3 6 Source diametre D surface S Image Diam tre d Mp M surface s Figure 3 6 Projection de la source mettant des ions dans le plan image pour le calcul de la brillance de la source 63 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions Mp et Ma sont les facteurs d agrandissement direct et angulaire de la lentille Compte tenu de ces parametres la brillance se calcule selon la formule T epe eO 2 3 5 Par la relation de Lagrange Helmholtz Mp Ma 1 3 5 Filtrage de gaz Les halog nes sont fortement corrosifs et toxiques Leur r activit chimique est favoris e par le fait que les halog nes se trouvent dans l tat gazeux pendant les exp riences Pour viter une contamination de l environnement par les gaz pomp s du banc test un systeme de filtrage est install la sortie de la pompe primaire Ce syst me
42. densit de charges et ainsi un changement de potentiel proche de l anode d extraction En cons quence le courant ions extrait de la source diminue cause des conditions d extraction moins favorables 124 En comparant la tension appliqu e correspondant au maximum du courant pour F Cl et l un d calage vers des champs magn tiques plus lev s peut tre observe quand la masse de l esp ce ionique augmente Il est suppose que suite une masse plus lev e le champ magn tique doit augmenter pour comprimer le plasma proche de l anode d extraction Pour le faisceau Br aucune diminution du faisceau n tait observ e pour des champs magn tiques lev s Un courant maximal de 5 8 nA 30 V a t mesur Une diminution du courant ions serait peut tre observable pour 79 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I des tensions appliqu es au del de 30 V mais comme le plasma n tait pas stable pour un champ magn tique si lev ceci ne pouvait pas tre v rifi Selon l quation 2 16 dans le chapitre 2 4 5 il existe la relation suivante entre les masses ioniques M42 et le courant maximal a mesur pour les diff rentes esp ces 108 4 5 1 E L Pour les calculs il faut consid rer que seulement les isotopes Cl et Br ont t d tect s pendant les mesures Il faut donc tenir compte des abondances isotopiques 75 pour CI contre 25 pour
43. diam tre et d termination de la brillance 62 Se mi LI E EIERE eegen 64 3 6 R sum des conditions exp rimentales 65 4 Formation et caract risation des faisceaux ions primaires O F CT a TTE E I e C TC 66 acREIeeisism c 66 4 2 Les diff rents types de gaz uilses 66 iU OF x 67 42 2 CNA M 68 4 2 D a Er e 69 4 2 4 Les gaz porteurs O2 et Af nannannannannnnnnnnnnrnnonnnnrnnrnnrnrrnrrnrrnennene 70 4 2 5 Injection de gaz dans le duoplasmatron 70 4 2 6 Esp ces extraites des diff rents plasmas 71 4 2 7 Stabilit des faisceaux ons 72 4 3 Proc dure exp rimentale nn nno ano ano nnennnnnnnnnnnnnnnnnn 3 4 3 1 D termination de la brillance maximale 13 4 3 2 Erreurs de mesures et reproductibilit 15 AA LE Talsceal O WE 75 4 5 Etude en fonction du champ magn tique nonnenonnennnnsnenrsrnrrrrennn 76 A Files EAS I On ee 7 4 5 2 Courant 18 E EE ue EE 81 4 6 Etude en fonction du courant d arc 82 220 MB IP ER 82 e 83 2 0 3 ITI ue 85 4 7 Etude en fonction de la pression 86 Sy WE WE EE 86 2 CPE een 88 dod S el deesse EE ee 89 4 8 R sum des r sultats exp rimentaux
44. e avant implantation des ions primaires Comme discut le travail de sortie varie suite cette implantation d esp ces reactives mais la valeur Ab de cette variation n est pas connue respectivement n a pas pu tre mesur e exp rimentalement Cette variation du travail de sortie entraine un d calage des points de mesures par rapport l axe I Rendement utile UY 1 2 3 4 5 6 Diff rence entre le potentiel d ionisation et le travail de sortie I eV Figure 5 10 Correlation entre les rendements utiles d termin s exp rimentalement et le mod le effet tunnel lectronique pour les bombardements ioniques O et F 121 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Une d croissance exponentielle de la probabilit d ionisation B en fonction de la diff rence I est pr dite par la th orie B exp Hl sive 5 5 ep Cette tendance exponentielle est confirm e par les r sultats exp rimentaux obtenus sous bombardement O et F Figure 5 10 Pour le bombardement seuls les rendements utiles de Ni Ag et Si d vient de la tendance exponentielle La formation de liaisons faibles entre l oxyg ne et le nickel respectivement l argent est connue Malgr la faiblesse de ces liaisons ioniques une localisation des lectrons en r sulte La probabilit d ionisation d crite par le modele de rupture de liaisons est faible D autre part suite une concentration faible en oxy
45. faisceaux ions O F Cf Br et dont les propri t s ont ete d termin es dans le chapitre pr c dent sont utilis s sur un SIMS Cameca IMS4f pour d terminer le potentiel analytique de ces esp ces ioniques pour des analyses SIMS Nous tudions notamment le rendement utile le rendement de pulv risation et la concentration d ions primaires implant s pour diff rentes matrices semi conductrices et m talliques Les r sultats obtenus sont discut s et compares aux mod les connus L influence de la concentration surfacique des halog nes et de l oxyg ne est tudi e par l interm diaire d analyses r alis es avec soufflage de gaz Finalement l effet de matrice sous bombardement halog ne est investigu par l analyse d implants de Cu Ti Si et B dans diff rents chantillons semi conducteurs 5 2 Les chantillons Le potentiel analytique sous bombardement O F Cl Br et a t tudi par l analyse d chantillons semi conducteurs Si Ge InP GaAs et d chantillons m talliques Ni Cu Ag Al et Ta 95 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Le processus d ionisation des l ments pulv ris s de ces matrices semi conductrices et m talliques peut tre d crit par le modele d ionisation effet tunnel lectronique chapitre 1 4 3 Ce modele consid re que la probabilit d ionisation d pend de la diff rence entre le travail de sortie de la matrice et le potentiel d ionis
46. fonction du champ magn tique du courant d arc et de la pression dans le duoplasmatron En accord avec la th orie une augmentation du champ magn tique n cessaire pour optimiser la brillance a t constat e en fonction de la masse des ions primaires Par contre aucune relation entre la masse des ions F CF Br et et le courant d arc ne pouvait tre not e Les pressions optimales pour F Cl Br et l tait plus lev e que celle pour O Par une tude comparative avec le mode O pour lequel le duoplasmatron Cameca a t d velopp initialement la performance en mode F CI Br et I a t analys e Il se trouve que la brillance de la source en mode F etait 5 93 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I fois plus lev e qu en mode O Tandis que les diam tres des deux faisceaux taient comparables le courant F tait 5 fois plus lev Les brillances du duoplasmatron en mode Cr Br et taient plus faibles que celle en mode O Ceci tait une cons quence des courants CI Br et I plus faibles ainsi que des diametres plus lev s Finalement des conditions de stabilit ont pu tre d termin es pour les faisceaux F Cl Br et l afin de pouvoir effectuer des analyses SIMS 94 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Chapitre 5 5 Analyses SIMS effectuees sous bombardement O F CI Br etl 5 1 Introduction Les
47. h 2 1 Le taux d ionisation du plasma peut tre d fini par taux d ionisation 2 2 n n La densit ionique de la plupart des plasmas cr s dans les laboratoires Sp cialement en ce qui concerne les sources ions varie entre 10 et 10 ions cm 104 La taille du plasma est definie par les dimensions physiques des electrodes par les limites de la charge d espace et par les conditions n cessaires pour avoir un plasma stable Dans les sources ions l extension du plasma varie de quelques millim tres 1 cm La densit des ions dans la r gion d extraction du plasma est 10 ions cm 104 Comme r f rence la densit d un gaz temp rature ambiante et une pression de 10 mbar est 3 10 particules cm 38 Chapitre 2 Le duoplasmatron 2 2 2 La temperature du plasma L nergie des particules dans un plasma s exprime par la temp rature du plasma La temp rature du plasma en eV est un param tre caract ristique du plasma 1eV 211600K 2 3 La temperature des ions T nest pas forcement egale a la temperature des lectrons Te et si le plasma se trouve dans un champ magn tique une anisotropie de la temperature entre les particules du m me type est induite dans le plasma La temp rature des particules parall les et perpendiculaires au champ magn tique est diff rente La validit de la temp rature du plasma est seulement justifi e pour une distribution en nergie des partic
48. il faut consid rer le mode de fonctionnement mode normal ou mode appauvri Une transition entre le mode normal et le mode appauvri dans lequel il existe un manque en particules neutres ioniser a t trouv e en fonction de la pression et du champ magn tique c f Figure 2 4 En mode appauvri le courant dions dans le plasma et le courant d ion extrait diminuent La distribution des courants est d crite pour le mode normal La r partition des diff rents courants dans le duoplasmatron d pend du potentiel de l lectrode interm diaire Si l lectrode interm diaire est flottante le courant d ions collect par celle ci est gal au courant d lectrons et le courant Ik dans la colonne de la cathode est egal au courant d arc la dans la colonne de l anode Les ions collect s par l lectrode interm diaire proviennent des c t s de la colonne de la cathode et de la colonne de lanode tandis que les lectrons proviennent plut t du plasma de la colonne de la cathode Si le potentiel de l lectrode interm diaire est plus n gatif par rapport au mode flottant le courant d ions lig est collect par l lectrode interm diaire Les lectrons du plasma de la colonne de la cathode sont rejet s Par le fait que moins d lectrons sont perdus par la cathode interm diaire le courant Ix doit diminuer pour que la relation lA lk lig soit encore valable 122 D autre part si le potentiel de l lectrode interm diaire est plut
49. inf rieure celle obtenue pendant le bombardement ce qui est expliqu par la formation de mol cules volatiles OF5 O2F2 entre le fluor et l oxyg ne N anmoins la formation d une surface SiO x 1 2 comme cons quence une augmentation de la probabilit d ionisation des atomes Si ject s Dans ce contexte il faut se rendre compte que le processus d ionisation pour le bombardement F est d crit par le mod le effet tunnel lectronique tandis que pour la surface Si oxyd e le processus d ionisation est plut t expliqu par le mod le de rupture de liaison Pour une surface partiellement oxyd e l augmentation de la probabilit d ionisation est li e d une part la variation du travail de sortie est d autre part au processus de la rupture de liaison qui est d autant plus probable si la concentration superficielle en oxyg ne augmente 134 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Concentration oxyg ne BR bombardement O soufflage O bombardement F soufflage O Se Ki Concentration fluor O 4 amp bombardement F soufflage SF C ke T C D O 8 i W bombardement O soufflage O HI bombardement F soufflage O gt amp bombardement F soufflage SF 2 L E O O TD S ad 10 10 10 10 Pression de soufflage p mbar Figure 5 16 Augmentation de la concentration d
50. la source Les dimensions des lectrodes du duoplasmatron jouent un r le important pour la description des propri t s physiques du plasma Figure 2 2 Le mode de l arc mode normal ou mode appauvri est d termin par la relation D2 D4 entre le diam tre D2 du canal de l lectrode interm diaire et le diam tre int rieur de la cathode D4 Si tous les autres param tres sont fix s une r duction du diam tre D mene une diminution du diam tre de l arc lectrique Il en r sulte une augmentation du maximum du courant d ions Lu et une diminution du courant maximal de l anode lay Pour un quotient trop 50 Chapitre 2 Le duoplasmatron faible de la relation D2 D des oscillations du plasma ont t remarqu es La valeur optimale est D2 D 0 1 108 124 La densit d ions qui se trouve dans le canal de l lectrode interm diaire est influenc e par la longueur de celui ci Si la longueur du canal de l lectrode interm diaire L2 augmente le nombre d ions qui tapent sur la paroi du canal et l intensit des ions extraits augmente Par contre si L2 est trop long les lectrons venant de la colonne de la cathode se transforment en des lectrons thermiques poss dant la m me nergie que les lectrons g n r s par collisions l int rieur du canal de l lectrode Une interface de constriction est cr e par le champ magn tique La d charge devient instable et une diminution du courant ions l a t observ e La
51. le processus de la rupture de liaison est moins probable pour l iode que pour le fluor Dans ce contexte une diminution du rendement utile des l ments Ni Cu et Ag qui forment des liaisons fortes avec les halog nes peut tre observ e Si le processus d ionisation est d crit par le mod le effet tunnel lectronique ce qui est justifi suite la faible concentration superficielle en halogenes la variation du travail de sortie est moins prononc e pour les halog nes lourds comme l iode que pour les l gers comme le fluor pour lequel la concentration et l lecton gativit atteignent leurs maximums Ainsi une diminution du rendement utile en fonction de la masse des halog nes incidents en r sulte 5 8 Effet de matrice Dans une premiere exp rience l effet de matrice a t tudi en d terminant le rendement utile de Cu implant dans des matrices semi conductrices AsGaAl Si et InGaAsP Les rendements utiles obtenus sont compares au rendement utile de Cu mesur pour une matrice m tallique de Cu pur Figure 5 12 125 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I lons primaires g O e F C 107 Br A i T o 10 gt D a 2 2 10 K C a D 4 5 e x A 9 10 A 6 10 A e Si AsGaAl InGaAsP Cu Matrice Figure 5 12 Rendement utile de Cu pulv ris de diff rentes matrices semi conductrices et de Cu m tallique Les matrices des sem
52. les instabilit s ventuelles du faisceau primaire 99 Figure 5 3 Profil en profondeur des l ments Ti et Cu implant s nergie d implantation 180 keV dose 10 atomes cm dans une matrice Si L analyse a t r alis e sous bombardement F 100 Figure 5 4 Rendement de pulv risation des diff rentes matrices sous bombardement O F Cl Br et F Les matrices sont class es selon leur masse atomique n nannnnanunnnrnnnrenrnonrnnnnrnrnrnernenrnne 103 Figure 5 5 Simulation TRIM du rendement de pulv risation des diff rentes matrices sous bombardement F Cl Br et F 107 Figure 5 6 Comparaison du rendement de pulv risation des matrices semi conductrices mesur par SIMS et d termin par simulation TRIM EEE 108 Figure 5 7 Comparaison du rendement de pulv risation des matrices m talliques mesur par SIMS et d termin par simulation TRIM mcr 109 Figure 5 8 Concentration des ions primaires implant s dans les diff rentes matrices a r sultats exp rimentaux b simulation TRIM 112 Figure 5 9 Rendement utile des diff rents l ments en fonction de l a vue globale b agrandissement de la zone 2 3 1 37 117 Figure 5 10 Correlation entre les rendements utiles d termin s exp rimentalement et le mod le effet tunnel lectronique pour les
53. lev e sont limin s et ainsi les aberrations chromatiques de l image sont r duites La s paration des ions selon leurs masses se fait au niveau du spectrometre qui est constitu par la partie de la colonne secondaire comprise entre les fentes d entr et de sortie 51 Un filtrage en masse achromatique n cessite un spectrometre de masse double focalisation Ce montage r sulte en une combinaison entre un secteur lectrostatique et un secteur magn tique avec une lentille lectrostatique la lentille spectrometre intercal e afin de permettre l ajustement optique des deux secteurs en question Figure 1 4 12 Chapitre 1 La technique SIMS lentille spectrometre Le secteur secteur lectrostatique Zac pe magn tique acr Es NR I FSO ext 2R fente en ner gie avec 0 lt AE lt 130 eV nn 8E 1 5 eV fente d entr e et diaphragme de fe contraste fente de sortie fs Figure 1 4 Trajectoire des ions secondaires travers le spectrom tre de masse 52 Par cette configuration la dispersion en nergie caus e par le secteur lectrostatique est compens e exactement par la dispersion en nergie du secteur magn tique L ouverture et le d calage de la fente en nergie intercal e entre la lentille spectrometre et le secteur magn tique servent s lectionner l intervalle nerg tique ainsi que l nergie moyenne des ions secondaires transmises 53 Finalement le
54. li une baisse du courant ions d un facteur 2 par rapport une source propre Le diam tre du faisceau n a pas t affect par ces contaminations de la source La brillance de la source a t d termin e avec une source propre 4 4 Le faisceau O Les parametres r gler pour optimiser le duoplasmatron Cameca en mode O sont bien connus Ainsi un courant d arc de lac 80 mA et une tension de la bobine du champ magn tique de 15 V m nent une brillance maximale tout en gardant une dur e de vie maximale Dans le cadre d une tude comparative des propri t s des faisceaux FE Cl Br et I le courant ions le diam tre d et la brillance B du duoplasmatron en mode O ont t mesur s en fonction de la pression Figure 4 2 75 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I L 80 mA m Courant a ions nA U 715 V e Brillance B A cm sr Ine 50 A Diam tre du faisceau d um 700 e _ 40 x pom 3 lt K e e 650 CS o 30 S oz o TE e A 600 amp an eo o 20 e 5 e E A TD 2 A A BA A 550 8 E 4 e p 10 E E og e A u n 500 O u e 0 E n a 8 450 2x10 3x10 4x10 5x10 6x10 Pression P mbar Figure 4 2 Courant ions diam tre d et brillance B du duoplasmatron en mode O en fonction de la pression Une brillance maximale de B 42 A cm sr a t mesur e une pression de 2 410
55. ma du profil de potentiel de d charge le long de l axe dans le mode de l arc normal 1 plasma de la cathode K 2 plasma de l lectrode interm diaire IE 3 plasma de l anode A V potentiel pr s de la cathode V saut de potentiel l interface de constriction Vu diminution du potentiel pr s de l anode l courant d ions aux bouts de la colonne de l anode 122 Vk repr sente la diminution du potentiel pres de la cathode Le saut de potentiel V au niveau de l lectrode interm diaire provient de l interface de constriction L allure de l interface de constriction est d termin e par la g om trie des lectrodes du duoplasmatron Les lectrons du plasma de la colonne de la cathode sont acc l r s par ce potentiel avant de p n trer dans le canal de l lectrode interm diaire Par suite les lectrons sont acc l r s vers la colonne de l anode par la tension U Dans la r gion du canal de l lectrode interm diaire des collisions entre les lectrons et les atomes ne 47 Chapitre 2 Le duoplasmatron sont que peu probables et ainsi la trajectoire des electrons nest pas beaucoup influenc e par des collisions La trajectoire des lectrons est plut t influenc e par le champ magn tique dans cette r gion L allure du potentiel dans la colonne de l anode s explique en consid rant le champ magn tique miroir qui agit sur les lectrons Il est bien connu que le moment magn tique TALL 2 13 reste constant S
56. notamment du diametre Une brillance maximale de 11 2 A cm sr a t d termin e m d 200 Br 160 w 120 5 15 O z 2 oa o O c 5 eno 0 5 10 15 20 25 30 35 Tension appliqu e la bobine du champ magn tique U ovine V Figure 4 5 Brillance du duoplasmatron en mode F Cl Br et en fonction du champ magn tique Le courant d arc et la pression sont constants 81 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Pour l la brillance maximale tait de 15 8 Alcm sr 30 V La variation de la brillance est li e celle du courant le diam tre restant assez stable avec le champ magn tique En accord avec la relation observ e entre le champ magn tique appliqu pour maximiser le courant des diff rents ions et les masses ioniques le maximum de la brillance des ions lourds tait d cal vers des champs magn tiques plus lev s En plus une diminution de la brillance suite une diminution du courant a ions ou une augmentation du diametre des faisceaux a t observ e pour des champs magn tiques trop lev s 4 6 Etude en fonction du courant d arc Apr s la d termination du champ magn tique optimal pour les diff rents faisceaux ions les propri t s physiques de ceux ci ont t tudi es en fonction du courant d arc Le champ magn tique a t fix la valeur optimale d termin e dans le chapitre 4 5
57. p n tration du champ lectrique et l interface lectrodes plasma sont des parametres critiques pour l extraction et la formation d un faisceau ions 2 2 4 Collisions des particules dans le plasma Pour expliquer les interactions des particules dans un plasma il faut tenir compte de la charge des particules et de l influence de celle ci sur les autres particules Le concept d un gaz neutre par rapport aux collisions le temps entre les collisions et le libre parcours moyen entre des particules neutres n est plus applicable dans un plasma La trajectoire d une particule dans un plasma est d finie par un trajet al atoire Le libre parcours moyen des particules entre deux collisions peut tre d fini par la densit n et la section efficace o des particules 106 jet 2 6 Le temps t et la fr quence v entre deux collisions sont d finis par le libre parcours moyen et la vitesse moyenne des particules 106 40 Chapitre 2 Le duoplasmatron 2 7 Dans des sources a ions comme le duoplasmatron le temps entre deux collisions peut varier entre millisecondes et nanosecondes 2 2 5 Le champ magn tique Le comportement d un plasma sur lequel agit un champ magn tique est bien diff rent d un plasma sans champ magn tique Les ions et les lectrons en mouvement interagissent avec le champ magn tique dans le plasma our une particule avec une charge q et une vitesse v se trouvant dans un champ magn tique B ag
58. pulv risation Y Si Ge GaAs InP Matrice Figure 5 6 Comparaison du rendement de pulv risation des matrices semi conductrices mesur par SIMS et d termin par simulation TRIM Pour Si sous bombardement F et Br et pour Ge sous bombardement F Cl et Br ou un cart inf rieur 3 a t observ entre les r sultats exp rimentaux et les simulations Pour le cas du Si une diff rence d un facteur 3 non explicable pour le bombardement Cl a t not e Pour les chantillons GaAs et InP des carts entre 30 et 50 entre les valeurs d termin es par simulation et les valeurs exp rimentales ont t constat s Une pulv risation pr f rentielle d un l ment de la matrice est suppos e avoir lieu pendant les exp riences Il en r sulte une variation du potentiel de la surface Celle ci n est pas consid r e pendant les simulations TRIM Un cart de presque un ordre de grandeur du rendement de pulv risation de Si mesur exp rimentalement et par simulation a t constat sous 108 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I bombardement O Pour le GaAs sous bombardement O un cart d un facteur 3 entre les valeurs exp rimentales et les simulations TRIM a t not Un changement de la surface par l implantation des atomes incidents ou par la formation d une couche superficielle oxyd e n est pas consid r pendant les simulations TRIM Ainsi l cart entre les r sultats exp
59. rimentaux et les simulations peut tre expliqu Un bon accord du rendement de pulv risation mesur par SIMS et par simulation des matrices GaAs et InP a t trouv sous bombardement OH La comparaison entre les resultats experimentaux et simules pour les matrices m talliques est donn e dans la Figure 5 7 Suite a la formation d une couche superficielle oxyd e et l implantation des atomes halog nes dans les chantillons m talliques non consid r s pendant les simulations des diff rences entre les r sultats exp rimentaux et les simulations TRIM peuvent nouveau apparaitre R sultats exp rimentaux Simulation TRIM mE O EF g C 4 O 4 F B Br m 4 Br 4 I Rendement de pulv risation Y A Ni Cu Ag Ta Matrice Figure 5 7 Comparaison du rendement de pulv risation des matrices m talliques mesur par SIMS et d termin par simulation TRIM 109 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Les rendements de pulv risation mesur s par bombardement F CI Br et I de la surface Al sont en accord avec les valeurs obtenues par simulation Bien que les halog nes soient implant s dans la surface Al l effet sur le rendement de pulv risation n est pas si important Le rendement de pulv risation sous bombardement O est inf rieur d un facteur 4 par rapport au r sultat obtenu par la simulation Ceci s explique par une surface oxyd e de l aluminium qui n est pas consid r e pe
60. sont presque identiques La formation des mol cules fortement volatiles SiF y 1 4 sous bombardement F est connue 193 Vu le comportement chimique similaire des halogenes il est probable que des mol cules SiXy X CI Br sont form es Par contre il n est pas connu si ces mol cules sont aussi volatiles que la mol cule GIE ou si les liaisons de ces mol cules SiXy la surface des diff rents semi conducteurs sont plus fortes Dans ce cas la concentration des mol cules SiXy serait plus lev e que celle des mol cules SiF Ainsi ionisation du silicium implante dans les matrices InGaAs et InGaAsP serait plus probable sous bombardement Cl Br et ce qui expliquerait les rendements utiles lev s du Si Dans le cas de la matrice AsGaAl il existe une concentration plus lev e des halog nes suite des liaisons halogene Al stables la surface Ainsi le rendement utile plus lev sous bombardement halog nure de cette matrice par rapport aux autres matrices serait expliqu Ces rendements utiles sont comparables ceux mesur s pour la matrice Si pur Comme dernier l ment un implant de bore dans les diff rentes matrices semi conductrices a t analys Figure 5 15 A cause des propri t s chimiques similaires du bore et du silicium un comportement identique celui du silicium a t remarqu pour le bore sous bombardement oxygene Ainsi le rendement utile le plus lev a t mesur pour l
61. spectrometre de masse est utilise preferentiellement pour des analyses en SIMS dynamique Par sa resolution en masse lev e la s paration des mol cules isobariques est possible La Chapitre 1 La technique SIMS transmission elevee de ces types de spectrometres est un avantage pour la d tection des l ments a faible concentration 1 2 5 L instrument Cameca IMS4f Pour cette these nous avons utilis un SIMS Cameca IMS4f 44 45 L IMS4f est quip d un spectrometre de masse double focalisation secteur magn tique Figure 1 2 source d ions source d ions duoplasmatron solide prisme mi Aii lectrostatique prisme o u magnetique De fente en nergie j d secondaire ie SN prisme E N magn tique CT e La 7 primaire A1 A i amt P vhi 4 dapnrap ejcham tent d entr e lente aday primaire de Gori niit DE qom M bind 1 Electro multiplicateur chantillon cage de Farraday secondaire channel plate SO cran fluorescent Figure 1 2 a Image de l instrument Cameca IMS4f b Alignement optique du faisceau primaire et du faisceau secondaire travers le SIMS Cameca IMS4f 46 10 Chapitre 1 La technique SIMS La trajectoire des ions primaires et des ions secondaires travers le syst me optique du SIMS IMS4f est montr e dans Figure 1 2 Les ions primaires g n r s dans la source ions sont dirig s travers la colonne primaire sur l
62. t positif par rapport au mode flottant plus d lectrons sont collect s par celle ci et le courant Ix doit augmenter pour que la relation lKk lA lE soit valable 122 Si le courant l4 est constant le courant du faisceau ions est ind pendant de la tension de l lectrode interm diaire Si le courant Ik est constant le courant I et le courant d ions I du faisceau ions d pendent de la tension appliqu e l lectrode interm diaire tout en gardant la proportionnalit entre la et l 49 Chapitre 2 Le duoplasmatron Finalement une proportionnalit entre le courant d ions I le courant d arc la et le champ magn tique a t trouv e 122 1 B 2 14 Cette relation est valable dans le mode normal Une valeur maximale du courant d ions Lu peut tre trouv e en fonction du courant d arc la et du champ magn tique A ce point la section efficace d ionisation atteint son maximum Le point maximal du courant ions d pend de la pression P et du champ magn tique B selon la relation 108 122 ly PVB 2 15 Pour un courant d arc fixe une pression minimale correspondant au point de transition entre le mode normal et le mode appauvri peut tre trouvee Au del du maximum ly la densit des atomes neutres dans le plasma devient trop faible et la section efficace d ionisation ainsi que le courant d ion l diminuent L arc change du mode normal vers le mode appauvri 2 4 4 G om trie de
63. tait ferm e et la concentration superficielle en esp ces r actives tait seulement li e aux ions incidents Pendant la premi re exp rience un soufflage O2 et SF tait r alis pendant l analyse d un wafer de Si Figure 5 16 Une l g re augmentation du rendement utile de 3 910 9 310 a t not e pendant le bombardement O et le soufflage O2 Le rendement utile sous bombardement F est plus petit de deux ordres de grandeurs Une faible augmentation de celui ci de 2 910 9 910 pouvait tre obtenue pour le soufflage SFe 133 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement OO F Cl Br et I Des mesures AES r alis es sous les conditions d taill es dans le chapitre 5 6 2 r v lent qu une saturation en oxygene de 60 et en fluor de 4 5 a deja t obtenue par bombardement O et F simple de la surface Si Le soufflage O2 et SFg ne permet pas d augmenter ces concentrations La faible concentration en fluor est li e a la production des mol cules SiF x 1 4 fortement volatiles a la surface Il en r sulte un d capage de la surface Si 185 193 Sous bombardement F combin un soufflage O2 une augmentation du rendement utile de 3 3 10 4 310 pouvait tre observ e La concentration superficielle en oxyg ne augmente en fonction de la pression de soufflage O2 jusqu la pression de saturation de 5 10 mbar Une concentration de saturation de 50 a t mesur e par AES Celle ci est
64. tect s Le d veloppement d une source ions n gatifs brillance lev e est donc souhaitable Dans ce travail nous tudions la faisabilit de la g n ration d un faisceau ions F Cl Br et l ainsi que le potentiel analytique de ce type de faisceaux Dans le premier chapitre nous introduisons la technique SIMS et les processus qui sont sa base tels que les processus de pulv risation et d ionisation L instrument SIMS Cameca IMS4f sur lequel les analyses de cette th se ont t effectu es est pr sent Le deuxi me chapitre pr sente la source ions du type duoplasmatron qui a t utilis e pour la g n ration des faisceaux ions primaires F Cl Br et Apr s une introduction g n rale dans les propri t s physiques d un plasma des explications sp cifiques du processus d ionisation des gaz utilis s dans le duoplasmatron seront donn es La pr sentation de l installation exp rimentale utilis e pour caract riser le duoplasmatron en mode O F Cl Br et notamment en termes de brillance sera le sujet du troisi me chapitre Les modifications du duoplasmatron n cessaires pour l injection des gaz contenant des halogenes ainsi que la proc dure de mesure des propri t s physiques des faisceaux ions seront pr sent es Le quatrieme chapitre est enti rement consacr a la caract risation exp rimentale du duoplasmatron pour les diff rentes esp ces ioniques Dans le cadre de l optimisation des di
65. tter A Benninghoven Appl Surf Sci 133 1998 47 D Stapel O Brox A Benninghoven Appl Surf Sci 140 1999 156 E T Ada L Hanley Int J Mass Spectrom 174 1998 231 244 Y L Beyec Int J Mass Spectrom 174 1998 101 G Gillen J Batteas C A Michaels P Chi J Small E Windsor A Fahey J Verkouteren K Kim Appl Surf Sci 252 2006 6521 A Wucher Appl Surf Sci 252 2006 6482 N Wehbe M Fallavier S D Negra J Depauw A Brunelle H Andersen Nucl Instrum Methods in Phys Res B 268 2010 2596 T Seki T Murase amp J Matsuo Nucl Instrum Methods in Phys Res B 242 2006 179 N Toyoda I Yamada Nucl Instrum Methods in Phys Res B 26 2009 1415 K I Gras A Shaltout S Ali R Boutros K El behery Z El Sayed Phy B 405 2010 1775 J Lindhard M Scharff Phys Rev 124 1961 128 V I Shulga Nucl Instrum Methods in Phys Res B 187 2002 178 147 Bibliographie 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 148 W Hauffe dans Secondary lon Mass Spectrometry Ill A Benninghoven J Giber J Laszlo M Riedel H W Werner Eds Springer Verlag Berlin 1981 p 206 V 1 Shulga Nucl Instrum Methods in Phys Res B 152 1999 49 M H Shapiro E Trovato T A Tombrello Nucl Instrum Methods in Phys Res B 180 2001 58 G Falcone
66. une variation de la transmission d un jour l autre Le rendement de pulv risation et le rendement utile ont t moyenn s sur trois mesures L erreur de mesure a t calcul e pour les diff rentes analyses par la d viation standard de la valeur moyenne du rendement de pulv risation et du rendement utile 5 5 Le rendement de pulv risation 5 5 1 R sultats exp rimentaux Le rendement de pulv risation pour les chantillons semi conducteurs Si Ge InP et GaAs et les chantillons m talliques Ni Cu Al Ta et Ag a t d termin pour les ions primaires O F Cl Br etl Figure 5 4 175 Malgr les masses comparables entre l oxyg ne m 16 amu et le fluor m 19 amu des diff rences importantes entre les rendements de pulv risation ont t remarqu es Ces diff rences ne peuvent tre expliqu es que par des effets balistiques consid r s dans la th orie de pulv risation Un d capage de la surface des semi conducteurs Si Ge InP et GaAs initi par les halog nes est connu 139 177 Ce d capage est l origine de l augmentation du rendement de pulv risation de la surface Si d un facteur 6 de 0 21 sous bombardement O 1 24 sous bombardement F Suite un comportement similaire des halogenes la surface Si l augmentation des rendements de pulv risation sous bombardement Br 2 9 et 4 2 par rapport a celui d termin pour le bombardement F est coh rent avec les rapports de masse des projecti
67. variant le champ magn tique Comme les mesures n ont pas t faites le m me jour des petites variations entre les brillances mesur es suite une variation du courant sont possibles e CI 180 160 140 120 2 Brillance B A cm sr 20 80 100 120 140 Courant d arc mA Figure 4 8 Brillance des faisceaux F Cl Br et en fonction du courant d arc Le champ magn tique et la pression sont constants 85 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Pour des conditions d un plasma stable un maximum de la brillance CI de 7 2 Alcm sr a t d termin pour Lee 100 mA Ce maximum de brillance est li au maximum du courant d ions et au diametre minimal mesures 100 mA Pareil que pour le faisceau CI le maximum de la brillance de 14 5 A cm sr laic 150 mA mesur pour Br est li au maximum du courant d ions ainsi qu un diametre du faisceau qui est seulement l g rement sup rieur au diametre minimal Comme expliqu sous 4 6 1 pour le faisceau ions le minimum du diametre et le maximum du courant pour ont t mesures pour lac 120 mA juste avant le point de transition du plasma Le maximum de brillance de 19 9 A cm sr a t d termin ce point Contrairement aux mesures de la brillance en fonction du champ magn tique aucune relation entre le courant d arc correspondant au maximum de la brillance et la masse
68. 59 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions garantir une focalisation correcte l alignement du faisceau sur l axe de la lentille est indispensable Un alignement incorrect du faisceau r sulte en une d viation de celui ci en fonction de l excitation de la lentille Le centrage du faisceau travers la lentille dans le plan horizontal se fait par deviation de celui ci dans le PBMF Il a t remarqu que seulement de faibles d calages du faisceau dans le plan vertical sont n cessaires pour assurer l alignement Ceci est fait par un petit d calage du faisceau en changeant la position de l electrode interm diaire du duoplasmatron La d termination de la tension n cessaire pour focaliser le faisceau dans le plan de mesure se fait en cherchant le diam tre minimal du faisceau dans ce plan Figure 3 3 Comme le point de focalisation est ind pendant de la masse des ions du faisceau la tension trouv e 3 95kV pour focaliser le faisceau ions O est valable pour un faisceau ions d une masse quelconque s diam tre du faisceau c O O A q TD O um T D TD 3 5 4 0 tension lentille kV Figure 3 3 Diam tre du faisceau ions O dans le plan de mesure en fonction de la tension de la lentille 60 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux
69. Benninghoven K T F Janssen J Tumpner H W Werner Eds John Wiley amp Sons Chichester 1991 p 255 J M Gourgout dans Secondary lon Mass Spectrometry Il A Benninghoven C A Evans R A Powell R Shimizu H A Storms Eds Springer Verlag Berlin 1979 p 286 R A Outlaw amp H G Tompkins Ultrahigh Vacuum Design and Practice AVS Education Committee Book Series Vol 3 2009 Low Energy lon Irradiation of Solid Sufaces H Gnaser 1999 P Sigmund Phys Rev 184 1969 383 G Falcone Surf Sci 187 1987 212 A E Morgan H A M de Grefte N Warmoltz H W Werner H J Tolle Appl Surf Sci 7 1981 372 H Lee H J Kang S K Oh D W Moon Surf Interface Anal 38 2006 1558 C Huyghebaert T Conard W Vandervorst Appl Surf Sci 231 232 2004 693 W Eckstein R Preuss J Nucl Mater 320 2003 209 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 79 76 77 78 79 80 Bibliographie Sputtering by particle bombardment R Behrisch and W Eckstein Springer 2007 V Shulga Nucl Instrum Methods in Phys Res B 170 2000 347 R C Sobers K Franzreb P Williams Appl Surf Sci 231 232 2004 729 K Wittmaack Surf Sci 90 1979 557 G Nagy L Gelb A Walker Journal of the American Society for Mass Spectrometry 16 2005 733 V Shulga Nucl Instrum Methods in Phys Res B 254 2007 200 F K
70. Cl Br et I Dans le cas de l InP le rendement de pulv risation augmentait de 2 0 sous bombardement O 3 5 sous bombardement E En accord avec la th orie de pulv risation le rendement de pulv risation augmentait ensuite selon la masse pour CI 6 6 Br 9 6 et l 16 9 Pour le GaAs et InP une pulv risation pr f rentielle est probable sous bombardement halog ne Par ce fait une variation du rendement de pulv risation peut apparaitre suite un changement du potentiel de surface Pour les matrices semi conductrices une augmentation du rendement de pulv risation en fonction de la masse des atomes cible a t not e pour les bombardements E Cl Brel Ceci est en accord avec l quation 1 5 selon laquelle le rendement de pulv risation est proportionnel un facteur a et la section efficace de freinage nucl aire Sn a augmente selon le rapport MAM entre la masse des atomes cible Mz et la masse des ions incidents M4 Sn augmente en fonction de la masse M selon les relations indiqu es dans 62 178 Ainsi une augmentation du rendement de pulv risation d un facteur 3 5 entre les matrices Si et InP a t remarqu s pour les diff rents bombardements halogenes c f Figure 5 6 Aucun processus de d capage induit par des halog nes sur les surfaces m talliques Al Ni Cu et Ta n est connu Pour ces matrices il faut tenir compte des liaisons form es entre les ions incidents et les atomes de la matrice vu que ces liaiso
71. I eV Figure 5 9 Rendement utile des diff rents l ments en fonction de 1 a vue globale b agrandissement de la zone 2 3 lt I lt 3 7 117 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I l est suppos que suite a un coefficient de desorption lev de l oxyg ne a la surface l tat chimique de celle ci ne varie que faiblement pendant le bombardement O et en cons quence le travail de sortie est seulement peu affect D autre part malgr la concentration superficielle faible des halog nes une diff rence d un ordre de grandeur pouvait tre constat e entre le bombardement F et En supposant que la concentration des diff rents halog nes est constante la surface la diff rence pouvait tre expliqu e par la baisse de l lecton gativit des halog nes suivant leur ordre dans le tableau p riodique Ainsi l ordre des diff rents rendements utiles mesur s correspond l ordre de l lectron gativit L influence de la concentration superficielle des ions primaires implant s est clairement visible dans le cas du Si Suite la concentration superficielle lev e en oxygene et ainsi la variation induite de l tat chimique de la surface le rendement utile sous bombardement O 3 510 est de deux ordres de grandeurs plus lev que sous bombardement E 2 6 10 tout en accord avec les r sultats trouv s par W Reuter et J G Clabes 190 Les m mes auteurs ont mesur u
72. Jury Prof Henri No l MIGEON CRP Gabriel Lippmann Rapporteurs Prof G nter BORCHARDT TU Clausthal Zellerfeld Prof Camille RIPOLL Facult des Sciences de Rouen Examinateurs Prof Hubert SCHERRER Ecole des Mines de Nancy Prof Pierre SECK Universit du Luxembourg Dr Tom WIRTZ CRP Gabriel Lippmann Membres invit s Prof Stanislas SCHERRER Ecole des Mines de Nancy Remerciements Arrive la fin de ma these je d sire exprimer mes remerciements tous ceux qui m ont aid et soutenu pendant ces longues ann es En premier lieu je voudrais exprimer ma sincere gratitude M Tom Wirtz qui m a propos ce sujet tr s int ressant et qui m a toujours conseill efficacement pendant mon travail Je tiens galement remercier M Henri No l Migeon directeur du d partement Sciences et Analyse des Mat riaux SAM de m avoir recu dans son quipe Un grand merci M Hubert Scherrer professeur l cole des Mines de Nancy pour avoir dirig et encadr ma th se Mes remerciements s adressent en plus Messieurs les professeurs Camille Ripoll de la Facult des Sciences de Rouen et G nter Borchardt de la TU Clausthal Zellerfeld pour avoir accept d tre rapporteurs de ce m moire Merci Messieurs Stanislas Scherrer et Pierre Seck d avoir accept d tre membres de ce jury de th se J exprime toute mon amiti aux membres de l quipe d Instrumentation Scientifique Merci
73. L Strissel amp R Strick Appl Surf Sci 231 232 2004 479 N Smith P Tesch N Martin D Kinion Appl Surf Sci 255 2008 1606 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 45 44 45 46 47 Bibliographie S K Guharay S Douglass J Orloff Appl Surf Sci 231 232 2004 926 S Maharrey R Bastasz R Behrens A Highley S Hoffer G Kruppa J Whaley Appl Surf Sci 231 232 2004 972 R G Wilson F A Stevie C W Magee dans Secondary lon Mass Spectrometry A Practical Handbook of Depth Profiling and Bulk Impurity Analysis John Wiley and Sons 1989 C Mansilla T Wirtz C Verdeil Nucl Instrum Methods in Phys Res B 267 2009 2589 T Wirtz H N Migeon Appl Surf Sci 255 2008 1498 T Wirtz C Mansilla C Verdeil H N Migeon Nucl Instrum Methods in Phys Res B 267 2009 2586 W D mmler S Weber C T te S Scherrer Int J Mass opectrom 164 1997 155 H Gnaser Y Le W Su Appl Surf Sci 252 2006 7054 C Hongo M Tomita M Suzuki Appl Surf Sci 144 145 1999 306 D Marseilhan J Barnes F Fillot J Hartmann P Holliger Appl Surf Sci 255 2008 1412 T Wirtz B Duez H N Migeon H Scherrer Int J Mass opectrom 209 2001 57 H N Migeon C Le Pipec J J Le Goux dans Secondary lon Mass Spectrometry V A Benninghoven R J Colton D S Simons H W Werner Eds
74. Nancy Universite gt INPL Ce document est le fruit d un long travail approuv par le jury de soutenance et mis a disposition de l ensemble de la communaut universitaire largie Il est soumis la propri t intellectuelle de l auteur au m me titre que sa version papier Ceci implique une obligation de citation et de r f rencement lors de l utilisation de ce document D autre part toute contrefacon plagiat reproduction illicite entraine une poursuite p nale Contact SCD INPL mailto scdinpl inpl nancy fr Code de la propri t intellectuelle Articles L 122 4 Code de la propri t intellectuelle Articles L 335 2 L 335 10 http www cfcopies com V2 leg leg droi php http www culture gouv fr culture infos pratiques droits protection htm A Y Centre de Hecherche Public Nancy Universite 1 Gabriel Lippmann SINPL THESE pr sent e L INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE Ecole doctorale Energie M canique Mat riaux pour obtenir le grade de Docteur de l INPL op cialit Science et Ing nierie des Mat riaux et M tallurgie par Lex Pillatsch Bombardement ionique O F Cl Br et Fen SIMS generation par duoplasmatron et etude du potentiel analytique Soutenue publiquement le 28 octobre 2010 Directeur de these Prof Hubert Scherrer Ecole des Mines de Nancy Co directeur de these Dr Tom Wirtz CRP Gabriel Lippmann Membres du Jury Pr sident du
75. Suite des liaisons faibles entre le cuivre et l oxyg ne un changement du potentiel de surface moins prononc en r sulte Ceci m ne un rendement de pulv risation sous bombardement O 1 4 qui est bien inf rieur celui trouv sous bombardement halog ne La surface Ag tant chimiquement inerte une formation d une couche superficielle contenant des ions incidents ainsi qu un d capage de la surface 105 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I sont peu probables En consequence il est Suppose que le rendement de pulv risation soit seulement li des effets balistiques des ions incidents Effectivement une augmentation du rendement de pulv risation avec la masse des ions incidents O 2 1 F 3 0 CI 5 3 Br 8 5 et 12 5 t v rifi e en accord avec la th orie de pulv risation Suite au comportement d crit cet chantillon est id al pour l tude de la relation entre les masses incidentes et le rendement de pulv risation voir chapitre 5 5 3 Pour aucun type de bombardement appliqu une tendance du rendement de pulv risation ne pouvait tre observ e en fonction de la masse des l ments Al Ni Cu Ag et Ta Une telle augmentation comme pr dite par la th orie de pulv risation est perturb e par la modification des liaisons interatomiques et ainsi par le changement du potentiel de surface suite la formation d une couche superficielle contenant des
76. T 400 T T T T T T T T T T 400 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 Figure 4 1 Courant d ions diam tre et brillance du faisceau ions F en fonction Pression p mbar pression et du champ magn tique 74 Pression p mbar Diam tre du faisceau d um Diam tre du faisceau d um Diam tre du faisceau d um de la Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I 4 3 2 Erreurs de mesures et reproductibilit La pr cision de la mesure du courant ions affich par le pico amperemetre d pend de l intensit de celui ci Selon le courant mesur un changement de la gamme de mesure sur le pico amperemetre s effectue N anmoins l erreur de mesure du courant ions est inf rieure a 5 de la valeur indiqu e pendant les mesures Suite des petites variations du courant affich par le pico amperemetre pendant la mesure du diam tre du faisceau une erreur de mesure du diametre est faite En plus la position de la lame de rasoir est donn e avec une pr cision de 10 um Au total une erreur de mesure du diametre du faisceau de 20 um est consid rer En tenant compte de ces deux sources d erreurs de mesure une incertitude d environ 1096 est consid rer sur les valeurs de la brillance Une variation plus prononc e de la brillance a t remarqu e suite la contamination de la source Ceci est
77. TS ETABLIS PAR Monsieur Camille RIPOLL Professeur Facult des Sciences de Rouen Mont Saint Aignan Monsieur Giinter BORCHARDT Professeur Institut fiir Metallurgie Clausthal Zellerfeld Le Pr sident de l Institut National Polytechnique de Lorraine autorise 2 AVENUE DE LA soutenir devant un jury de l INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE is er E qu 5 une these intitul e F 45 0 1 Bombardement ionique O F CT Br et I en SIMS g n ration par Mae ee Re GEDEK duoplasmatron et tude du potentiel analytique en vue de l obtention du titre de DOCTEUR DE L INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE en Sciences des Mat riaux Sp cialit Science et Ing nierie des Mat riaux et M tallurgie Fait Vandoeuvre le 12 octobre 2010 Ba Mu x d Le Pr sident de TEL 33 03 83 59 59 59 FAX 33 03 83 59 59 55 Bombardement ionique O F Cl Br etl en SIMS g n ration par duoplasmatron et etude du potentiel analytique SIMS est une technique d analyse sensible de la surface La probabilit d ionisation d pend de l tat chimique de la surface La g n ration des ions positifs est am lior e par le bombardement de la surface avec des l ments lectron gatifs Sur le NanoSIMS 50 de CAMECA dont la configuration optique n cessite une polarit oppos e entre ions primaires et secondaires l analyse des ions positifs se fait sous bombardement d ions g n r s d
78. a surface Le cation attrape l lectron pour au moins le temps de pulv risation avec un affinit lectronique A Une transmission de charge se fait au point dintersection entre la courbe adiabatique covalente Mot u et la courbe adiabatique ionique M X une distance R de la surface Figure 1 13 30 Chapitre 1 La technique SIMS Energie A O Distance Figure 1 13 Diagramme nerg tique des courbes de l nergie covalente adiabatique i M X et de l nergie potentielle ionique ii MAN R est la distance d intersection des deux courbes 98 La courbe ionique est d finie par l attraction coulombienne entre M et le cation vacant de la surface 28 A une distance infinie la courbe ionique est au dessus de la courbe covalente d une valeur I A ou est le potentiel dionisation de la particule pulv ris e Au point d intersection le potentiel coulombien est en quilibre avec la diff rence en nergie La distance R se calcule simplement par R 1 14 La probabilit d ionisation B au point d intersection Re est d crite par le formalisme de Landau Zener 96 31 Chapitre 1 La technique SIMS 2 p el ZU 1 15 R R hlalv H tant les l ments de la matrice de transition et a est la diff rence entre les courbes de potentiel nouveau une d pendance exponentielle de l inverse de la vitesse v de la particule ject e est pr dite 1 5 Rendement utile Da
79. a masse des ions primaires Pendant les analyses le faisceau primaire tait balay sur une surface de 250 x 250 um Figure 5 1 Suite au diam tre du faisceau primaire les dimensions lat rales du crat re d passaient ces 250 x 250 um et un effet de bord en r sultait faisceau Dimension du crat re x 250um Zone d analyse 65um chantillon a b Figure 5 1 a Dimensions du crat re et zone d analyse b effet de bord induit par le bord inclin du crat re Pour viter cet effet de bord pendant les mesures la zone d analyse tait limit e en diametre 65 um par le diaphragme de champ 98 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Pour garantir le maximum en transmission des ions secondaires la fente d entr e la fente en nergie et la fente de sortie de la colonne secondaire taient compl tement ouvertes En plus le plus grand diaphragme de contraste de 400 um en diametre a t choisi La d tection des ions secondaires se fait sur la cage de Faraday pour un courant gt 10 ions s et sur le multiplicateur lectrons pr alablement calibr pour un courant 10 ions s 5 4 M thodologie pour d terminer le rendement de pulv risation et le rendement utile 5 4 1 Profilage en profondeur Des profils en profondeurs ont t r alis s pour d terminer le rendement de pulv risation Y et le rendement utile UY Un exemple typique d un tel pro
80. a matrice Si 4 710 suivi de celui des matrices AsGaAl 1 3107 InGaAs 3 5107 et InGaAsP 1 2107 Ces rendements utiles sont dans le m me ordre de grandeur que ceux mesur s pour le silicium 131 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Rendement utile UY B Si AsGaAl InGaAs InGaAsP Matrice Figure 5 15 Rendement utile de l l ment B implant dans diff rentes matrices semi conductrices Des rendements utiles inf rieurs ont t mesur s pour le bombardement halog nure Ainsi le rendement utile sous bombardement E 6 110 de la matrice Si tait plus lev d un ordre de grandeur que celui sous bombardement 4 4109 Des rendements utiles interm diaires ont t mesur s par le bombardement Cf 2 6 10 et Br 2 310 Des rendements utiles similaires ont t trouv s pour le bombardement F 1 610 Cl 4 5102 Br 3 110 etl 7 6 109 de la matrice AsGaAl Les rendements utiles d termin s pour les matrices InGaAs et InGaAsP sont un peu moins lev s Pour la matrice InGaAs les rendements utiles mesur s pour le bombardement E 2 5109 Cl 4 7105 Br 2 4105 et I 1 1109 taient dans le m me ordre de grandeur Des rendements utiles similaires ont aussi t constat s pour la matrice InGaAsP entre 210 et 4 4109 Contrairement l implant de Si le 132 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I rendement u
81. aires Dans ce contexte des exp riences de soufflage avec des gaz halog nures est une possibilit pour analyser l effet de la concentration en halog ne a la surface des echantillons A concentration superficielle gale en fluor chlore brome et iode le processus d ionisation peut tre analys en fonction de l lectron gativit des halog nes Suite aux liaisons fortes entre les halog nes et certains l ments m talliques une etude plus d taill e du processus d ionisation par rupture de liaisons serait int ressante Ainsi la variation du rendement utile en fonction de l affinit lectronique des halog nes et de la concentration superficielle en halog ne pourrait tre tudi e Une application potentielle des bombardements halog nes est l analyse de gaz nobles dans des matrices semi conductrices pour laquelle aucun moyen de quantification n existe aujourd hui Ceci constitue un sujet de recherche 141 Conclusions et Perspectives actuel dans le domaine des semi conducteurs Par la formation des ions metastable XY X He Ne Ar Kr Xe Y F Cl Br I la detection de ces l ments de gaz rare sous bombardement halogene pourrait tre r alis e 142 1 2 3 4 gt 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Bibliographie Bibliographie A Benninghoven F G R denauer H W Werner dans Secondary lon Mass Spectrometry Basic Concepts Instrumental Aspects App
82. aires O F Cl Br et I 4 2 4 Les gaz porteurs O et Ar Le duoplasmatron utilis dans ce travail a t optimis pour g n rer un plasma oxyg ne ou argon Ainsi la g n ration par duoplasmatron d ions O O et Ar est bien r pandue en SIMS 113 127 La stabilit des plasmas oxygenes et argon ainsi que la dur e de vie avant nettoyage des lectrodes sont des avantages non n gligeables pour g n rer un faisceau fiable Le d marrage d un plasma en utilisant les gaz SF6 CHCIF2 Bro et l2 tait difficile voire impossible Suite l attachement des lectrons aux mol cules halog nures la densit des lectrons libres dans le plasma devient trop faible Il en r sulte des instabilit s du plasma Consid rant les avantages d un plasma oxygene et argon nous avons test Ar et O2 comme gaz porteur pour stabiliser le plasma contenant des mol cules halog nures Tandis que largon a t trouv inad quat pour stabiliser le plasma le plasma s teignant apr s un temps de travail maximal d une heure le plasma tait assez stable en utilisant l oxyg ne comme gaz porteur 4 2 5 Injection de gaz dans le duoplasmatron Diff rents syst mes ont t utilis s pour injecter les gaz dans le duoplasmatron Une chambre de m lange a t construite pour m langer les gaz O et SFe Le taux de m lange a t ajust par la pression mesur e dans la chambre Seulement une faible d pendance du courant ions F en fonctio
83. ans un duoplasmatron La faible brilance de la source en mode O a comme cons quence une faible r solution lat rale des analyses Pour y rem dier nous avons tudi la possibilit de g n rer d autres faisceaux d ions primaires n gatifs Dans cet objectif nous avons tudi la g n ration par duoplasmatron d ions E CF Br et F en fonction du champ magn tique du courant d arc et de la pression totale des gaz Le courant d ions et le diametre du faisceau ont t mesur s afin de d terminer la brillance de la source en mode F CFI Br et F Une brillance 5 fois plus lev e en mode F qu en mode O a t d termin e En utilisant les faisceaux F Cl Br et l le rendement de pulv risation la concentration d ions primaires implant s et le rendement utile ont t mesur s pour des semi conducteurs et des m taux Suite une faible concentration en halogene a la surface des semi conducteurs r sultant des processus de d capage le rendement utile sous bombardement halog ne tait plus faible que sous bombardement O Pour les m taux p ex Ni Cu et Ag par contre une am lioration du rendement utile sous bombardement halog ne jusqu deux ordres de grandeurs compar au bombardement O a t mesur e Mots cl s SIMS duoplasmatron brillance rendement de pulv risation concentrations surfacique rendement utile lonic O7 F Cl Br and l bombardment in SIMS generation via duoplasmatron and study of the analytical po
84. ation des l ments analys s Les valeurs du travail de sortie des matrices consid r es ainsi que du potentiel d ionisation des diff rents l ments analys s sont donn es dans Tableau 5 1 Tableau 5 1 R sum des valeurs du travail de sortie des matrices consid r es ainsi que du potentiel d ionisation des diff rents l ments analys s Potentiel eee Incertitude sur la Element d ionisation Matrice SOUS es valeur du travail I D eV a analyse la matrice eV eV de sortie AD Cr me ass am sm ma Le travail de sortie des diff rentes matrices a t d termin par effet photo lectrique l aide d une sonde de Kelvin par diffraction d lectrons la surface LEED Low Electron Energie Diffraction ou par mission thermique 163 165 167 171 Selon l orientation cristalline et la proc dure d analyse le travail de sortie peut varier 172 Comme les chantilons analys s pendant ce travail sont polycristallins une moyenne des valeurs de travail de sortie trouv es dans la litt rature a t prise comme r f rence L incertitude sur la valeur du travail de sortie est indiqu e dans le Tableau 5 1 96 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I Le travail de sortie d pend de l tat chimique de la surface et changera donc en fonction du type et de la concentration des ions primaires implant s dans la surface Un autre aspect est la variation du tr
85. avail de sortie en fonction de la morphologie de surface qui change pendant l irradiation ionique 173 174 Le potentiel d ionisation ne d pend que de l l ment consid r et est ind pendant de l tat chimique de la surface Cette grandeur est bien d finie pour les diff rents l ments 166 GaAs InP Si et Ge ont t analys s sous forme de wafers Ni et Cu se retrouvaient sous forme de plaques m talliques de nickel et de cuivre purs L analyse des l ments Al Ag et Ta a t effectu e par le bombardement d une couche de 200 nm d paisseur du m tal en question Les couches amorphes ont t d pos es par PVD sur des wafers de silicium La couche d oxyde natif a la surface des chantillons n a pas t enlev e avant l analyse L effet de matrice sous bombardement halog ne a t tudi en analysant B Si Ti et Cu implant s dans les matrices semi conductrices Si InGaAs InGaAsP et AsGaAl L nergie d implantation tait 90 keV pour B et 180 keV pour Si Ti et Cu Ainsi la profondeur d implantation tait entre 100 et 300 nm La dose d implantation tait de 10 atomes cm 5 3 Conditions analytiques Les analyses SIMS sous les diff rents bombardements ioniques ont t r alis es sur un instrument Cameca IMS4f Les ions primaires taient acc l r s une tension de 10 kV et un potentiel d extraction de 4 5 kV etait appliqu l chantillon extraction des ions secondaires positifs Ces conditi
86. ches minces avec une sensibilit excellente Dans ce chapitre la technique SIMS ses applications ainsi que les diff rents types de spectrom tre de masse sont pr sent s L instrument Cameca IMS4f utilis pendant cette th se est pr sent Les processus de pulv risation et d ionisation qui sont la base de la technique SIMS sont d crits Finalement les possibilit s d optimisation d une analyse SIMS sont discut es 1 2 SIMS Secondary lon Mass Spectrometry 1 2 1 Principes de la technique SIMS La technique SIMS est une technique d analyse de surface qui pr sente une excellente sensibilit et dynamique ainsi qu une bonne r solution lat rale et ou en profondeur suivant l application envisag e 1 La surface est pulv ris e par un bombardement ionique L nergie typique des ions primaires est entre 500 eV et 30 keV selon l application 2 3 SIMS est une technique d analyse destructive Les ions primaires sont mis par une source a ions avant d tre acc l r s vers l chantillon a analyser Au niveau de l chantillon les interactions ions substrat d pendent du type d ions primaires des conditions de bombardement et de la cible Des atomes mol cules et des ions sont ject s de l chantillon Pour la technique Chapitre 1 La technique SIMS SIMS les ions soit positifs soit n gatifs sont d tect s Dans le spectrometre de masse les ions sont s lectionn s selon leurs masses Finalement l intensit
87. conducteurs Pareil que pour les implants de Cu le rendement utile Si dans la matrice AsGaAl est plus lev que celui dans la matrice InGaAsP Il n est pas connu si ce fait est li une diff rence du travail de sortie initial des diff rentes matrices ou si la concentration superficielle en oxyg ne est plus lev e la surface AsGaAl Rendement utile UY Si Si AsGaAl InGaAs InGaAsP Matrice Figure 5 14 Rendement utile de Si pulv ris de diff rentes matrices semi conductrices et de Si pur Les matrices sont class es selon la masse atomique totale Le rendement utile Si sous bombardement halog ne est inf rieur celui sous bombardement O Dans ce contexte un rendement utile de 2 710 sous bombardement F a t d tect Les rendements utiles sous bombardements Cl 7 710 Br 9 410 et l 6 5 10 sont presque identiques 130 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I Pour la matrice InGaAs le rendement utile sous bombardement 5 310 est plus lev que ceux sous bombardements CI 1 6 10 respectivement Br 9 1109 Le rendement utile sous bombardement E 4 1105 est le plus petit Le m me comportement a t observ pour le rendement utile Si dans la matrice InGaAsP Sous bombardement I un rendement utile de 2 410 a t mesur Le rendement utile sous bombardement E 6 910 est inf rieur ceux sous bombardement CI 1 10 et Br 9 5109 qui
88. de filtrage consiste en une bouteille remplie avec une solution de NaOH avec une concentration de 1 mol l Le gaz extrait de la chambre est dirig travers la solution Les halogenes r agissent avec la soude de la solution et les sels correspondants sont cr s Ainsi les 64 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions halog nes sont neutralis s Les gaz non reactifs sont vacu s par le systeme d extraction du labo 3 6 R sum des conditions exp rimentales Afin d avoir une vue globale des conditions d analyses un r sum des parametres de manipulation est donn par le Tableau 3 1 Tableau 3 1 Parametres ajust s pour la d termination de la brillance Courant d arc larc 0 150 mA Tension de la lentille Utentite a Diametre du diaphragme 150 um Distance L entre le diaphragme et le plan de focalisation Les valeurs donn es dans le Tableau 3 1 sont valables pour toutes les mesures de brillance effectu es dans le cadre de cette th se 65 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Chapitre 4 4 Formation et caract risation des faisceaux ions primaires O F Cl Br etl 4 1 Introduction Dans le pr sent chapitre une description d taill e de la g n ration des ions n gatifs F Cl Br et en utilisant la source ions du type duoplasmatron sera r alis e Les propri t
89. dement de pulv risation suivant la formule 43 175 181 182 110 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I 5 4 Ce modele de retention fait abstraction des ions r tro diffus s et d sorb s et considere donc que chaque ion incident est implant dans l chantillon ce qui fait que la concentration est surestim e La concentration des ions primaires implant s dans les diff rentes matrices a t calcul e en consid rant les rendements de pulv risation determines exp rimentalement et par simulations TRIM Figure 5 8 Comme le rendement de pulv risation d termin par simulations TRIM est plus lev que les valeurs exp rimentales la concentration des ions implant s obtenue par TRIM est plus faible que les valeurs exp rimentales En ce qui concerne les semi conducteurs une oxydation de la surface sous bombardement O est fortement probable Ceci n est pas consid r pendant les simulations TRIM ce qui explique la diff rence entre les concentrations d termin es exp rimentalement et par simulation En raison des processus de d capage des surfaces semi conductrices sous bombardement F CF Br et l les concentrations superficielles en halog ne vont tre plus faibles que celles pr dites par le mod le de r tention basique bas sur les rendements de pulv risation exp rimentaux ou simules cf chapitre 5 6 2 Tableau 5 2 Le comportement de l aluminium et du tantale sous
90. du travail de sortie du potentiel d ionisation valable dans le cas de ionisation positive et de l affinit lectronique valable dans le cas le ionisation n gative selon les formules 95 96 n ES D exp hyvV l A D exp hy Cette formule est valable pour des vitesses v lev es Une diff rence entre 1 11 le mod le th orique et les r sultats exp rimentaux existe pour des vitesses v plus faibles Dans cet intervalle de vitesse l augmentation temporaire de la temp rature lectronique T du substrat est consid rer et la probabilit d ionisation se calcule selon la formule 96 29 Chapitre 1 La technique SIMS 1 12 Une description g n rale de la probabilit d ionisation est donn e par les formules Bel ais Bel sid lt A E et aa 1 13 red 13 si D lt p ex IT si D gt A Ep En p et en sont des quantit s proportionnelles a la vitesse v au point Ze Ce mod le a t v rifi experimentalement pour des chantillons correspondant aux crit res d application du mod le d effet tunnel lectronique 94 95 1 4 4 Mod le de rupture de liaison La nature des liaisons dans les chantillons ioniques tels que les m taux oxydes est fortement localis e Le mod le d ionisation par effet tunnel n est plus applicable Le mod le d ionisation par rupture de liaison a t propos La pulv risation d un ion positif M de la surface cr e un cation vacant dans l
91. e Ainsi la probabilit d ionisation du Cu implant dans la matrice Si est plus lev e que celle du Cu pur En ce qui concerne les mesures r alis es par le bombardement halogene de la surface Si un rendement utile similaire de 1 610 a t mesur pour le bombardement F et Cl Tandis que le rendement utile mesur pour le bombardement Br 2 510 tait un peu plus lev une baisse d un ordre de grandeur a t remarqu e pour le rendement utile sous bombardement I 4 4105 Le rendement utile Cu mesur par le bombardement Br de la matrice Si tait quivalent celui obtenu pour la matrice AsGaAl pour le m me bombardement Par contre les rendements utiles pour le bombardement F 2 1107 et CF 8 3 10 taient sup rieurs Pour cette matrice une diff rence de plus que deux ordres de grandeurs existe entre le rendement utile mesur sous bombardement E et I 8 3 10 Pour la matrice InGaAsP le rendement utile Cu sous bombardement F est identique celui mesur pour la matrice Si Un rendement utile Cu lev a t mesur pour le bombardement 1 510 en comparaison ceux mesur s pour le bombardement Cl 4 810 et Br 7 610 Aucune explication exacte n a t trouv e pour expliquer ce comportement Il est suppos que par la formation des mol cules entre les atomes de la matrice et l ode qui sont plus li es la surface que des mol cules form es par des autres halogenes il r sulte une augmentati
92. e Le diam tre de la cage d expansion S est tel qu un rapport S2 S 20 121 est r alis La cage est remplie par le plasma du au champ lectrique p n trant dans la cage La forme du plasma dans la cage est d finie de facon ce que le courant dions extrait de la cage soit ind pendant de la tension d acc l ration L allure du faisceau est seulement influenc e par le champ magn tique dans le duoplasmatron tandis qu elle n est pas affect e par le champ lectrique 2 5 Brillance de la source La qualit d une source est d crite par sa brillance Une brillance lev e de la source ions est essentielle pour une bonne r solution spatiale de l analyse SIMS La brillance est d finie par le rapport entre le courant d ions l angle solide d mission Q et la surface d mission S de la source Bu 2 17 Q S La brillance du faisceau ions Ar et O2 g n r par le duoplasmatron se situe entre 250 500 A cm sr tandis que la brillance du faisceau ions O est de seulement 25 50 A cm sr 32 La brillance du duoplasmatron est faible compar e avec d autres types de sources 93 Chapitre 2 Le duoplasmatron La meilleure brillance est obtenue par les sources d ions metal liquide LMIS Liquid Metal lon Source Elle est situ e entre 10 et 10 A cm sr 128 2 6 Revue des differents duoplasmatrons Le duoplasmatron a cathode froide de Cameca utilise dans ce travail est optimis pour la g n ratio
93. e augmentation de la stabilit et de la dur e de vie Finalement notre tude sur la g n ration des ions halog nures pourrait tre tendue dans le futur d autres gaz afin d explorer d autres pistes Les rendements de pulv risation sous bombardement O F Cl Br et I ont t mesures exp rimentalement pour diff rents chantillons m talliques et semi conducteurs Les valeurs exp rimentales ont t compar es aux r sultats obtenus par des simulations TRIM Pour ces m mes chantillons nous avons tudi les rendements utiles et par l les processus d ionisation qui sont en jeu pour les diff rents types d ions primaires et de matrices 139 Conclusions et Perspectives Le processus de pulverisation ainsi que la formation des ions secondaires d pendent fortement de la matrice analys e Pour les semi conducteurs des processus de d capage chimique ont t remarqu s Ce d capage chimique est l origine de diff rences remarqu es entre les r sultats exp rimentaux et les simulations TRIM qui ne tiennent pas compte de tels effets chimiques La concentration superficielle en halog ne mesur e par spectroscopie lectrons Auger s est av r e tre beaucoup plus faible que celle d duite du modele de r tention basique bas sur le rendement de pulv risation Suite ces concentrations faibles l tat chimique de la surface n tait que faiblement modifi pendant le bombardement Une am lioration de la p
94. e du duoplasmatron en mode F CI Br et I en fonction du champ magn tique Le courant d arc et la pression sont ele 81 Figure 4 6 Variation du diam tre des faisceaux F Cl Br et l en fonction du courant d arc appliqu Le champ magn tique et la pression sont GODSEISITS EE 83 Figure 4 7 Courant a ions F Cl Br et en fonction du courant d arc Le champ magn tique et la pression sont constantes 84 Figure 4 8 Brillance des faisceaux F Cl Br et en fonction du courant d arc Le champ magn tique et la pression sont constants 85 Figure 4 9 Mesure du diam tre des faisceaux a ions F CF Br et l en fonction de la pression Le champ magn tique et le courant d arc sont constants is 87 Figure 4 10 Courant a ions F Cl Br et l en fonction de la pression Le champ magn tique et le courant d arc sont constants 88 Figure 4 11 Brillance du duoplasmatron pour F Cl Br et l en fonction de la pression Le champ magn tique et le courant d arc sont SONS El EE 90 157 Table des Figures Figure 4 12 Analyse EDX de l anode du duoplasmatron apr s une semaine de fonctionnement avec le plasma O2 SFe Une contamination de SES EE 93 Figure 5 1 a Dimensions du crat re et zone d analyse b effet de bord induit par le bord inclin du crat re 98 Figure 5 2 Profil en profondeur d une matrice Cu sous bombardement primaire F Le signal F permet de tracer
95. e l oxyg ne et du fluor a et variation du rendement utile de Si b induite par le soufflage O et SF Des exp riences de soufflage SFg pendant le bombardement F ont aussi t r alis es pour les semi conducteurs GaAs InP et Ge Figure 5 17 La concentration superficielle en fluor en fonction de la pression de soufflage tait presque constante pour les diff rentes surfaces La concentration la plus faible en fluor de 1 640 a t mesur e pour la matrice InP Une concentration plus lev e a t d termin e la surface Ge 4 4 0 6 suivie de la concentration mesur e la surface GaAs 8 2 0 8 Seulement de faibles variations de la concentration du fluor qui sont dans les limites des erreurs de mesures AES ont t constat es pendant l augmentation de la pression SF dans la chambre d analyse Ainsi une saturation en fluor des diff rentes surfaces a d j t obtenue sans soufflage SFe 135 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement OO F Cl Br et I Concentration du fluor dans les matrices a GaAs e nP 4A Ge Concentration C 96 Rendement utile UY 10 10 10 10 Pression de soufflage p mbar Figure 5 17 Exp riences de soufflage SF pendant le bombardement F des chantillons GaAs InP et Ge concentration du fluor a et rendement utile b Un rendement utile de 3 3 10 et de 910 pour l indium respectivement pour le phosphore a t mesur
96. eau du vide 2A Zc solide surtace Figure 1 12 Diagramme d nergie du modele a effet tunnel 52 Pour calculer la probabilit d ionisation p il faut connaitre la variation de A z et E4 au long de la trajectoire La fonction d onde d croit exponentiellement avec la distance z Une bonne approximation est donn e par 94 A Z Ayexp 7z 1 9 Y est une longueur caract ristique valant approximativement 0 1nm 96 97 En supposant que le transfert lectronique est seulement possible entre la bande de valence du solide et un seul niveau d nergie E de l atome ject la probabilit d ionisation peut tre calcul e en fonction de la distance entre l atome ject et la surface Le principe d incertitude implique un largissement du niveau E donn par le facteur 2A z en fonction de la 28 Chapitre 1 La technique SIMS distance z de l atome pulv ris par rapport la surface En tenant compte de l largissement en nergie la probabilit d ionisation est d finie par 94 96 D el SCH 1 10 yw V v cos 0O est la vitesse de la particule ject e par rapport la normale de la surface Cette vitesse consid re la d pendance de p en fonction du temps pendant lequel la particule se trouve dans la zone d interaction la distance A z le niveau d nergie E est la m me hauteur que le niveau d nergie de Fermi La probabilit d ionisation peut tre calcul e en fonction
97. ectron Eng 27 1995 453 R Pessoa H Maciel G Petraconi M Massi A da Silva Sobrinho Appl Surf Sci 255 2008 749 W Eckstein Vacuum 82 2008 930 934 J P Biersack L G Haggmark Nucl Instrum Methods 174 1980 257 C Garc a Rosales W Eckstein J Roth J Nucl Mater 218 1995 8 Y Kudriavtsev Nucl Instrum Methods in Phys Res B 160 1999 307 153 Bibliographie 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 154 W Vandervorst T Janssens C Huyghebaert B Berghmans Appl Surf Sci 255 2008 1206 A M ller A Benninghoven Surf Sci 41 1974 493 K B Myli V H Grassian J Phys Chem 99 1995 1498 L Pillatsch T Wirtz H N Migeon H Scherrer Surface and Interface Analysis 42 2010 645 R Grant R Lambert Surf Sci 146 1984 256 o Bourgeois R Gouttebaron M Perdereau Surface Science 395 1998 356 W Reuter dans Secondary lon Mass Spectrometry IV A Benninghoven J Okano R Shimizu H W Werner Eds opringer Verlag Berlin 1984 p 54 W Reuter Anal Chem 59 1987 2081 W Reuter J G Clabes Anal Chem 60 1988 1404 G Gillen R L King F Chmara J Vac Sci Technol A 17 1999 845 852 J Sielanko J Filiks M Sowa J Zinkiewics M Drewniak Vakuum 46 1995 1459 J W Coburn H F Winters T J Chuang J Appl Phys AIP 48 1977 3532 Table des Fig
98. ement F peuvent tre d crits par le modele a effet tunnel lectronique Suite a une concentration plus faible en fluor compar e celle en oxygene la variation du travail de sortie n est pas si prononc e m me si le fluor est plus lectron gatif que l oxyg ne En cons quence le rendement utile sous bombardement F est inf rieur au rendement utile sous bombardement O Ceci n est pas le cas pour le nickel le cuivre et l argent pour lesquelles des liaisons fortes entre le fluor et l l ment de la matrice correspondante existent Compte tenu de ce fait le processus d ionisation serait plut t expliqu par le modele de rupture de liaisons Par l lectron gativit plus forte du fluor par rapport aux autres l ments du tableau p riodique une augmentation de la probabilit d obtenir des ions positifs Ni Cu et Ag et des ions n gatifs E est atteinte pendant le processus de la rupture de liaison Ainsi la diff rence du rendement utile du nickel par rapport au fit exponentiel est expliqu e D autre part suite une faible concentration superficielle en fluor d termin e pour le Cu et l Ag la surface n est pas couverte compl tement M me s il existe des endroits ou les electrons sont localis s par des liaisons ioniques il est suppos qu une d localisation des lectrons soit possible dans la r gion autour de la zone d impact Ainsi les processus d ionisation pour le cuivre et l argent peuvent galement tre ex
99. ensions du crat re sont mesur es par profilom trie avec un instrument Tencor P10 Les dimensions lat rales x et y ont t mesur es mi hauteur du crat re voir Figure 5 1 b La profondeur z a t moyenn e sur le fond du cratere 100 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Le rendement de pulv risation Y est ensuite d termin selon l quation _ nombre d atomes M pulverises nombre d ions primaires incidents t D a o lp repr sente le courant primaire e la charge l mentaire et t la dur e du bombardement Pour les chantillons homog nes le rendement utile UY pour chaque ion secondaire d tect est calcul selon l quation _ nombre d ions M d tect s nombre d atomes M pulv ris s fi o AZ py 5 2 In est le courant d ions secondaires M d tect A est la surface analys e z est la profondeur du crat re et pu est la densit des atomes M dans la matrice Le rendement utile des l ments implant s dans une matrice est calcul selon l quation 5 3 gt gt ou D est la dose d implantation de l l ment consid r 101 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I 5 4 3 Incertitudes de mesure La rugosite du fond du cratere cr e par le bombardement ionique menait une incertitude sur la profondeur de crat re L alignement du spectrom tre pouvait r sulter en
100. era r alis e 1 5 3 Effet des ions primaires implantes La concentration des ions primaires implant s dans l chantillon implique un changement de la composition chimique la surface Le travail de sortie change en fonction de la concentration des ions implant s et en cons quence la probabilit d ionisation p change 10 11 99 Cet effet peut tre utilis pour am liorer la probabilit d ionisation p et donc le signal des ions secondaires d tect s Un exemple pour la variation du signal d tect suite a l implantation des ions primaires est montr dans la Figure 1 14 Pendant le pr quilibre le nombre d ions primaires implant s est plus grand que le nombre dions primaires pulv ris s La concentration des ions primaires implant s augmente jusqu au moment d quilibre entre les ions primaires implant s et les ions primaires pulv ris s l tat d quilibre la concentration des ions implant s dans la matrice reste constante Il y a autant d ions primaires implant s que pulv ris s 33 Chapitre 1 La technique SIMS pr quilibre quilibre 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 temps Figure 1 14 Profil en profondeur d une matrice de Si Les ions Sj ont t g n r s par le bombardement de la matrice Si avec un faisceau ions primaires O 1 5 4 Optimisation de la probabilit d ionisation par soufflage Une autre possibilit d augmenter la probabilit d ionisation consiste en un souf
101. est le plus efficace si l nergie d impact des lectrons est de seulement quelques eV L nergie n cessaire pour former un ion n gatif partir d une particule neutre est appel e affinit lectronique Ea de l atome ou de la mol cule L affinit lectronique pour l oxyg ne et pour les halog nes lesquels sont utilis s dans cette th se comme ions primaires se trouve dans le Tableau 2 1 Tableau 2 1 Affinit lectronique de l oxyg ne et des halogenes 105 nome 8 amp 4 Affinit lectronique E eV 1 46 3 06 ll faut remarquer que l affinit lectronique des halogenes est la plus grande parmi tous les l ments du tableau p riodique Ceci s explique par la couche lectronique ext rieure non remplie Les halog nes ionis s n gativement possedent la configuration lectronique des gaz nobles 2 4 Le Duoplasmatron 2 4 1 Description Le Duoplasmatron invent par Manfred von Ardenne en 1956 111 est une source ions utilisant un gaz 112 Un avantage du duoplasmatron est la possibilit de g n rer des ions positifs charge simple ou multiple et des ions n gatifs En SIMS le duoplasmatron est pr f rentiellement utilis pour la g n ration des ions Ar O2 et O 113 bien que la g n ration d autres types d ions comme H H He Xe 36 107 114 soit possible La g n ration des ions F Cl Br et par le duoplasmatron n est pas bien tudi e dans la
102. eulement la vitesse perpendiculaire v des lectrons par rapport au champ magn tique est influenc e par le champ magn tique La conservation de la valeur absolue de la vitesse implique que si la vitesse v augmente du au gradient du champ magn tique la vitesse parallele vy au champ magn tique des lectrons diminue Pour un courant d lectrons donn ou pour un courant d arc connu la diminution de la vitesse parallele vj au champ magn tique m ne une augmentation de la densit des lectrons entre la cathode interm diaire et l anode Il en r sulte un maximum de potentiel Vy au milieu entre l lectrode interm diaire et l anode La diminution du potentiel pr s de l anode et pr s de l lectrode interm diaire s explique par la densit de charges Dans ces r gions l ionisation du gaz se fait par ces lectrons nerg tiques avec une densit de courant lev e Comme la mobilit des lectrons est plus lev e que celle des ions une accumulation de charges positives se forme pres de l anode et pres du front de l lectrode interm diaire Une diminution de potentiel de 10V par rapport a Vu en r sulte 108 Cette diminution du potentiel d termine l nergie initiale des ions et elle est aussi responsable pour la dispersion en nergie des particules mises 48 Chapitre 2 Le duoplasmatron 2 4 3 R partition des courants dans le duoplasmatron Pour comprendre la distribution des courants dans le duoplasmatron
103. eurs le rendement de pulv risation est d crit par la formule 56 Y E 9 AE E 6 x 0 1 2 A est une constante qui d pend de la matrice et x est la profondeur des particules dans la matrice r f renc e la surface Pour calculer A il faut connaitre l nergie potentielle et la section efficace des atomes de recul Un des potentiels de surface appliqu s est le potentiel planaire U Avec ce potentiel la probabilit d jection d un atome de la surface est 56 57 Ecos gt U 1 pi Ecos9 xU Ve E et sont l nergie et l angle avec lequel un atome de la matrice se rapproche de la surface L nergie d pos e Ep par un ion incident est donn e par une fonction sans dimension a Figure 1 6 qui elle d pend de l angle d incidence des ions primaires du rapport MAM entre la masse des atomes pulv ris s M et des ions incidents M de la densit N des atomes de la matrice et la section efficace de freinage S des atomes 56 17 Chapitre 1 La technique SIMS E E 9 0 aNS E 1 4 He REIN S HI A Alt CU LA LT II ELI Wl HIT ITU LLL d ER p LLLI oe Figure 1 6 volution de la fonction o en fonction du rapport des masses MAM 1 Pour M2 M lt 0 5 a est constant 0 2 tandis que pour 0 5 lt M M lt 10 070 3 MM A partir de ces relations le rendement de pulv risation se calcule selon 56 64 Y E 0 042 S E Sm 1 5 Non seulement la masse des ions
104. ff rents faisceaux une tude en fonction du m lange de gaz de la pression du champ magn tique et du courant d arc est effectu e Nous d terminons notamment le courant ionique le diam tre du faisceau et la brillance Les sp cifications li es aux diff rents faisceaux d ions 2 Introduction halog nes sont compar es avec les caract ristiques en mode O pour lequel la source a t d velopp e initialement Dans le cinqui me chapitre des analyses sur des semi conducteurs et des chantillons m talliques sont r alis es par bombardement F CF Br et I L influence de la concentration superficielle des ions primaires implantes et donc du changement de l tat chimique de la surface sur la probabilit dionisation sont analyses Une tude comparative des performances analytiques obtenues avec les diff rents types d ions primaires permet de d terminer le bombardement ionique le plus adapt pour les diff rents chantillons Nous discutons notamment les rendements de pulv risation les rendements utiles et l effet de matrice Finalement la concentration des ions lectron gatifs la surface est augment e par soufflage de diff rents gaz sur la surface pendant le bombardement afin d am liorer le rendement utile Introduction Chapitre 1 La technique SIMS Chapitre 1 1 La technique SIMS 1 1 Introduction La spectrom trie de masse d ions secondaires SIMS est une technique d analyse de surface et de cou
105. fil en profondeur est montr dans Figure 5 2 lons secondaires mg ers SC cu Py 10 107 l o D 10 c go 10 10 0 2000 4000 6000 8000 Temps d analyse t s Figure 5 2 Profil en profondeur d une matrice Cu sous bombardement primaire F Le signal F permet de tracer les instabilit s ventuelles du faisceau primaire 99 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Une rugosit importante du fond du cratere a t remarqu e apres le bombardement des chantilons Ni et Cu avec les faisceaux ions halog nures Ceci provient de la polycristallinit de ces chantillons Pour limiter l incertitude relative sur la profondeur de crat re une profondeur de crat re assez importante entre 0 5 et 2 um tait vis e Un exemple typique d un profil en profondeur obtenu pour un implant est montr dans Figure 5 3 lons secondaires m 6 10 s coy w 10 Ge Cc bi E 10 10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Temps d analyse t s Figure 5 3 Profil en profondeur des l ments Ti et Cu implant s energie d implantation 180 keV dose 10 atomes cm dans une matrice Si L analyse a t r alis e sous bombardement F 5 4 2 D termination du rendement de pulv risation Y et du rendement utile UY Le nombre d atomes pulv ris s est calcul par la densit p de la matrice et les dimensions du cratere Les dim
106. flage de gaz contenant des atomes r actifs Les atomes du gaz sont implant s dans la matrice par collisions avec les ions primaires Selon le choix du gaz de soufflage le rendement utile des l ments lectropositifs 88 100 101 ou lectron gatifs 102 103 peut tre am lior Un exemple bien connu de cette technique est l augmentation du rendement utile du Si par soufflage de gaz O Figure 1 15 Un d p t de quelques couches atomiques la surface d une matrice est suffisant pour augmenter le rendement utile de plusieurs ordres de grandeur 10 99 34 Chapitre 1 La technique SIMS 0 1 0 01 AI Y Si B 1E 3 2 1E 4 1E 5 1E 3 0 01 0 1 1 O Si flux ratio Figure 1 15 Rendement utile des l ments B Si et Al en fonction de la concentration oxygene a la surface Les l ments B et Al ont t implant s dans la matrice de Si 99 35 Chapitre 1 La technique SIMS 36 Chapitre 2 Le duoplasmatron Chapitre 2 2 Le duoplasmatron 2 1 Introduction Alors que le chapitre pr c dent s est focalis sur la th orie des analyses SIMS dans ce chapitre une description th orique de la source ions primaires le duoplasmatron sera faite Dans le duoplasmatron les ions sont g n r s par une d charge dans un gaz Ainsi un plasma est form Pour comprendre les processus dionisation une introduction des propri t s physiques du plasma est indispensable Connaissant les propri t
107. gene la surface Ag celle ci n est pas compl tement couverte en oxygene Une d localisation des electrons autour de la zone d impact est possible Ainsi le processus d ionisation peut aussi tre expliqu par le mod le a effet tunnel lectronique En raison de la faible concentration la variation du travail de sortie induite par l oxyg ne implant va tre minime Pour le silicium le rendement utile est sup rieur au fit exponentiel De m me que pour l argent et le nickel des liaisons ioniques entre le silicium et l oxyg ne se forment En plus une concentration de saturation de 66 en oxygene est obtenue Par ces faits et en consid rant le modele de rupture de liaison des conditions favorables en terme de la probabilit d ionisation et du rendement utile sont cr es Pour les autres l ments les rendements utiles mesur s sous bombardement O sont en accord avec la th orie d ionisation pr dite par le modele effet tunnel lectronique Selon les mesures de la concentration superficielle en fluor les surfaces semi conductrices ainsi que celles de l aluminium et de l argent ne sont pas compl tement couvertes par le fluor Une d localisation des lectrons par rapport la zone d impact est possible A cause de ces conditions les 122 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I processus dionisation des elements semi conducteurs ainsi que des l ments Al et Ta sous bombard
108. gle d incidence des ions primaires incidence normale la valeur de p varie entre 0 24 100keV et 0 56 0 1keV 64 80 Finalement le rendement de pulv risation d pend fortement de la cristallinit En g n ral le rendement de pulv risation le plus important est atteint pour un empilement dense comme la structure hexagonale compacte Des structures plus ouvertes m nent des rendements de pulv risations plus faibles tandis que les structures polycristallines donnent des rendements de pulv risation interm diaires L orientation du cristal par rapport au faisceau incident est un autre parametre important 1 Un ion incident dans la direction de l axe cristallin penetre plus profond ment dans le cristal avant de perdre son nergie par collisions Par suite la cascade de collision est trop loin de la surface pour g n rer des atomes pulv ris s de la surface et le rendement de pulv risation diminue 22 Chapitre 1 La technique SIMS La topographie de la surface est un autre parametre qui influence le rendement de pulv risation 81 Exp rimentalement il a t montr que le rendement de pulv risation augmente avec la rugosit croissante de la surface lorsque le bombardement se fait incidence normale A incidence rasante par contre une rugosit croissante m ne des rendements de pulv risation plus faibles Ces tendances s expliquent par la variation du rendement de pulv risation avec l angle d incidence qu
109. h nom ne a t not pour 130 mA Pour I un diam tre minimal de 800 um a t mesur pour un courant d arc de 120 mA En ce qui concerne Br un diam tre minimal de 660 um a t mesur pour un courant d arc de 130 mA 4 6 2 Courant Dans la Figure 4 7 la variation du courant ions a t mesur e en fonction du courant d arc 83 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I m F e CI 60 4A Br y 40 20 DI RN 6 KEE T tota 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Courant ions I nA Courant d arc mA Figure 4 7 Courant ions F Cl Br et en fonction du courant d arc Le champ magn tique et la pression sont constantes De fa on similaire laugmentation du diam tre du faisceau F une augmentation du courant F 59 9 nA a t observ e a la 150 mA Pour ces conditions de plasma la g n ration des ions F est favoris e Dans la r gion entre 70 et 90 mA le courant CI tait le plus lev mais comme indiqu auparavant le plasma n tait pas stable pour ces courants d arcs Sur la plage stable entre 100 et 150 mA deux valeurs maximales du courant ions ont t observ es une 100 mA avec un courant de 3 6 nA et l autre 140 mA avec un courant de 3 7 nA Entre ces deux valeurs le courant CI passait par un minimum Ce comportement est li la transition du plasma observ e dan
110. i conducteurs sont class es selon leur masse atomique totale L effet de matrice est du une variation de la probabilit d ionisation d un m me l ment en fonction de la matrice consid r e Suite aux liaisons fortes entre l oxyg ne et le silicium et suite une surface Si oxyd e un rendement utile lev du Cu 4 210 implant dans la matrice Si a t mesur Pour d crire le processus d ionisation du cuivre il faut consid rer d une part l oxydation lev e de la surface Si et ainsi les liaisons fortes entre le Si et l oxyg ne et d autre part les liaisons faibles entre le Cu et l oxyg ne Par ce dernier point le processus d ionisation du Cu est d crit par le modele effet tunnel lectronique La concentration lev e en oxygene la surface Si implique une variation forte du travail de sortie de la surface Par ce fait la probabilit d ionisation augmente Un rendement utile similaire du Cu a t mesur pour le bombardement O de la matrice AsGaAl Par contre un rendement utile plus faible du Cu 2 410 a t mesur pour la matrice InGaAsP 126 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I La diff rence entre le potentiel d ionisation et le travail de sortie pour la matrice Si est plus grande que pour la matrice Cu mais la concentration superficielle en oxygene plus lev e pour la surface de la matrice Si implique une variation plus prononc e du travail de sorti
111. i d pend videmment a l chelle microscopique de la rugosit de la surface En plus une baisse du rendement de pulv risation pour des surfaces poreuses a t remarqu e Les atomes pulv ris s sont pi g s dans cette structure Cet effet est tr s prononc dans le cas d une cible compos e comportant des phases de compositions diff rentes 1 3 3 Profondeur d origine des particules mises Plusieurs tudes ont t faites pour d terminer la profondeur des atomes pulv ris s de la matrice 82 83 Sigmund a d termin la profondeur des particules mises selon la formule 57 3 1 7 ANC Eu So selon cette formule la profondeur d mission des particules d pend uniquement de la densit N de la cible Co tant un facteur constant avec la valeur Co 0 0181nm 57 Plus tard cette formule a t corrig e pour tenir compte de l nergie Eo des particules mises 56 84 1 m EP 1 2m NC So 1 8 Le facteur m caract rise le potentiel d interaction entre les particules incidentes et la cible m varie de 1 hautes nergies O tr s basses nergies Cm est un facteur d pendant des caract ristiques des particules 23 Chapitre 1 La technique SIMS incidentes et cible ainsi que de leurs interactions La profondeur d origine des atomes pulv ris s est d autant plus importante que leur nergie est lev e Une tude faite par Shulga a montr que la profondeur des par
112. ile sous bombardement I 9 110 tait sept fois plus lev que sous le bombardement Br 1 310 et deux fois plus lev que sous le bombardement E 4 510 et Cl 4 910 Selon a litt rature la probabilit d ionisation du titane pur sous bombardement halog nure est plus lev e que sous bombardement oxyg ne ce qui a t d montr par bombardement CF3 respectivement O2 188 Un processus d ionisation similaire celui du Cu est suppose pour le Ti Ainsi toutes les explications donn es pour le cuivre sont aussi valables pour le titane Les m mes exp riences ont t effectu es pour un implant de Si dans les matrices AsGaAl InGaAsP et InGaAs Une comparaison avec le rendement utile de Si mesure pour une matrice de Si pur a ete effectuee Figure 5 14 Le rendement utile Si implante dans les differentes matrices est le plus eleve sous bombardement O Le rendement utile Si mesur pour la matrice AsGaAl 129 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement OO F Cl Br et I 1 5 10 est plus lev d un ordre de grandeur que celui d termin pour la matrice InGaAsP 1 610 Le rendement utile mesur pour la matrice InGaAs 5 3107 est entre les deux autres valeurs Le rendement utile Si lev sous bombardement O est expliqu d une part par la concentration superficielle de l oxyg ne et d autre part par les mol cules entre le silicium et l oxyg ne qui sont stables la surface des diff rents semi
113. incidents joue un r le pour le processus de pulv risation Le rendement de pulv risation d pend du potentiel de surface U comme indiqu dans l quation 1 5 Pendant le bombardement ionique des ions primaires sont implantes dans l chantillon I en r sulte un changement du potentiel de surface et ainsi les propri t s physiques de pulv risation des atomes de la matrice changent en fonction de la concentration des ions primaires implantes 65 18 Chapitre 1 La technique SIMS Suivant le bombardement d ions monoatomiques ou de clusters les interactions avec le substrat sont diff rentes Les ions monoatomiques les plus utilis s en SIMS sont O Ar Ga et Cs Pour certaines exp riences d autres ions monoatomiques comme He Xe Au 66 68 sont utilis s La pulv risation avec des ions monoatomiques E Cl Br et utilis s dans cette th se n est pas bien tudi e dans la litt rature La pulv risation de mol cules d un chantillon se fait pr f rentiellement avec un bombardement de clusters Un bombardement cluster Aun Ceo perturbe le substrat sur une profondeur plus faible En effet le cluster se dissocie lors de l impact et l nergie est r partie sur les diff rents atomes du cluster Suite l nergie plus faible des diff rents atomes du cluster et une zone d impact plus importante les mol cules la surface de l chantillon sont moins fractionn es qu avec le bombardement monoatomiq
114. inq fois plus lev e que celle pour O Les brillances pour Cl Br et sont inf rieures a celle pour O Tandis que le diametre du faisceau F est comparable avec celui trouve pour les diam tres des faisceaux CI Br et I sont plus lev s Le courant F est plus lev d un facteur 5 par rapport au courant O7 qui est comparable au courant Les courants Cl et Br sont plus faibles Il faut consid rer que suite l abondance isotopique de Cl et de Br seulement une partie des ions CI et Br a t mesur e 90 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Tableau 4 4 R sum des conditions exp rimentales ainsi que des r sultats trouv s pour F Cr Intervalle de stabilit du plasma O o c D Q D O TD E 2 E x D E 2 D Wa D il Wa O E XD E D D A Br etl Faisceau ions Pression p mbar 2 10 6 7 10 2 710 710 1 610 7 10 1 410 7 10 1 610 7 10 Courant d arc larc mA EE 120 150 70 150 70 150 100 150 Diam tre d dans le plan de mesure 510 530 620 720 um Diametre D calcul de la source 370 480 430 500 M 1 4 um Pression p mbar 2 10 2 710 210 510 2 810 3 410 310 4 510 3 510 4 510 Dur e de vie avant nettoyage d 200 120 150 100 duoplasmatron h Un champ magn tique optimis similaire est constat pour O et F ce qui est en accord avec les pr dictions
115. ionique des diff rents ions n a t trouv e 4 7 Etude en fonction de la pression L influence de la pression totale du gaz dans le duoplasmatron sur le diam tre du faisceau et le courant ions a t analys e Le champ magn tique et le courant d arc optimaux ont t ajust s pendant les mesures 4 7 1 Diametre l a t constat que la pression dans le duoplasmatron est le param tre le plus important quant au diametre des diff rents faisceaux ions La variation du diam tre en fonction de la pression est montr e dans Figure 4 9 Pour F Cl et l des fluctuations du diam tre des faisceaux ont t mesur es pour des pressions au dessus de 2 510 mbar Aucune tendance nette des courbes ne pouvait tre observ e Un diametre minimal de 530 um du faisceau ions E une pression de 4 6 10 mbar a t mesur Tandis que 96 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I les variations en diametre du faisceau F taient plus prononc es elles taient plus faibles pour CI et I 1100 1000 900 800 700 Diam tre du faisceau D um 600 500 1 0x10 2 0x10 3 0x10 4 0x10 5 0x10 6 0x10 7 0x10 Pression p mbar Figure 4 9 Mesure du diam tre des faisceaux ions F Cl Br et en fonction de la pression Le champ magn tique et le courant d arc sont constants Un diam tre minimal de 660 um du faisceau Cl a t mesu
116. ions incidents Tandis que des rendements utiles du m me ordre de grandeur ont t mesures pour les bombardements Cl Br et l une variation d un ordre de grandeur pour le bombardement O et m me de plus qu un ordre de grandeur pour le bombardement F a t constat e Ceci est une indication pour la r activit chimique plus forte du fluor compar e celle des autres l ments 5 5 2 Simulations TRIM Afin de comparer et ventuellement de compl ter des donn es recueillies par des exp riences des simulations bas es sur le code TRIM 62 178 180 ont t utilis es pour calculer le rendement de pulv risation Le code TRIM utilise un algorithme de Monte Carlo pour calculer la trajectoire des particules dans la matrice Pour calculer le rendement de pulv risation avec le logiciel TRIM les conditions exp rimentales nergie d impact et angle d incidence ont t consid r es Une moyenne du rendement de pulv risation sur un total d au moins 10000 particules incidentes a t calcul e pour les diff rents chantillons Les r sultats obtenus par TRIM se trouvent dans Figure 5 5 106 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I o AD Sp A Do 4 oo A amp Do oo A ob Do Do DO Rendement de pulverisation Y simulation TRIM Al Si Ni Cu Ge Ag GaAs InP Ta Matrice Figure 5 5 Simulation TRIM du rendement de pulv risation des diff rentes matrices sou
117. it et de corrosivite que pour F2 l utilisation du chlore pur Cl tait d fendue Pour les m mes raisons l utilisation du gaz CCl4 qui est connu pour la g n ration des ions CI et CI 150 n tait pas possible Le choix pour la g n ration des ions CI dans le duoplasmatron est tomb finalement sur le gaz chlorodifluorom thane CHCIF2 aussi connu sous le nom Freon 22 Ce gaz ni corrosif ni toxique a t utilis comme solvant r frig rant dans la production de mousses et mat riel d emballage Suite son influence n gative sur la couche d ozone l utilisation de ce gaz a t limit e par la Commission Europ enne Les propri t s de la mol cule CHCIF2 en ce qui concerne l nergie de liaison des atomes ont t tudi es par Irikura et al 151 En g n ral l attachement d un lectron faible nergie des m thanes chlor s est suivi par un processus dissociatif de la mol cule Le maximum de la section efficace d attachement d un electron a la mol cule CHCIF2 a t d termin pour une nergie d impact de 2 eV 152 Suite l instabilit de la mol cule ionis e le processus de dissociation le plus probable est donn par e CHCIF Cl CHF 4 2 La g n ration des ions Cl supposes tre le fragment dominant dans le processus de dissociation est expliqu e par l affinit lectronique du chlore qui est sup rieure l nergie de dissociation de la liaison C Cl 152 68
118. it la force de Lorentz F F alv xB 2 8 Seulement la trajectoire d une particule charg e poss dant une vitesse v perpendiculaire au champ magn tique est influenc e par le champ magn tique En g n ral la trajectoire d une particule charg e dans un champ magn tique est d crite par une h lice En tenant compte de la force centrip te le rayon de l orbite circulaire se calcule par la formule mv p ECH 2 9 p est appel le rayon cyclotron de la particule La vitesse et la temp rature sont diff rentes pour les ions et les lectrons ce qui r sulte en un rayon cyclotron plus grand pour les lectrons compar celui des ions La fr quence cyclotron 105 41 Chapitre 2 Le duoplasmatron we 2 10 est mille fois plus elevee pour les electrons que pour les ions Dans certaines conditions il est possible d exploiter les diff rentes fr quences pour chauffer seulement les lectrons par microonde et ainsi soutenir la formation des ions dans le plasma 2 3 lonisation dans un plasma Des ions positifs charge simple ou multiple 107 et des ions n gatifs sont cr s dans un plasma par ionisation des particules neutres Pour tous les plasmas le processus dionisation est essentiel pour la description des propri t s du plasma Ainsi il faut faire la difference entre l ionisation par impact d lectrons la photo ionisation l ionisation par un champ lectrique et l ionisation de surface
119. les Aucune explication n a t trouv e pour le rendement de pulv risation lev de 4 4 sous bombardement CI 102 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I lons primaires gH O Rendement de pulverisation Y Al Si Ni Cu Ge Ag GaAs InP Ta Matrice Figure 5 4 Rendement de pulv risation des diff rentes matrices sous bombardement O F Cl Br et F Les matrices sont class es selon leur masse atomique Les m mes processus surfaciques sont la base des diff rences observ es entre les rendements de pulv risation sous bombardement halog ne vis vis du bombardement O pour les autres matrices semi conductrices Ainsi le rendement de pulv risation de la surface Ge sous bombardement O 1 2 est inf rieur aux rendements sous bombardement F 1 9 Cl 3 7 Br 5 7 et l 8 2 En comparant les rendements de pulv risation mesur s pour les bombardements halogenes une relation plus ou moins proportionnelle la masse des ions incidents pouvait tre constat e Une augmentation d un facteur 3 entre les rendements de pulv risation mesures sous bombardements O 0 9 et sous bombardement F 2 6 pouvait aussi tre not e pour la matrice GaAs La diff rence entre les rendements de pulverisations sous bombardement F Cl 5 14 Br 6 43 et l 9 1 tait nouveau coh rente avec les masses des projectiles 103 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F
120. les diff rents bombardements ioniques est similaire Une couche de passivation des surfaces en pr sence d oxygene se forme deja l air Une concentration de saturation des surfaces Al et Ta de 60 s tablit Cette valeur est en bon accord avec les r sultats exp rimentaux donn s dans la Figure 1 8 111 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement OO F Cl Br et I 90 Concentration u O e F lt Q 80 E Br A 70 60 40 30 4 T 20 10 Concentration C r sultats exp rimentaux gt Ha IK A I 94 4 IA Lei HH u PoA Lei La Al Si Ni Cu Ge Ag GaAs Ta a z Matrice Concentration o O o Br A SR F ao 80 70 60 40 o d O u O AU D 20 10 4 4 d P A oo Pm A Concentration C Simulation TRIM 96 Al Si Ni Cu Ge Ag GaAs InP Ta b Matrice Figure 5 8 Concentration des ions primaires implant s dans les diff rentes matrices a r sultats exp rimentaux b simulation TRIM Une couche superficielle stable contenant des halog nes est possible pour l aluminium et le tantale Les concentrations de saturation des surfaces de 75 et 83 seront obtenues par la formation d une couche AIX 112 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I respectivement Taxe X F Cl Br I Les valeurs donn es dans la figure 1 8 sont largement inf rieures cette c
121. lications and Trends P J Elving J D Winefordner I M Kolthof Eds John Wiley and Sons New York 1987 D Schuetzle T J Prater S Kaberline J E deVries A Bayly P Vohralik Rev Sci Instrum AIP 60 1989 53 C M Ng A T S Wee C H A Huan A See Nucl Instrum Methods in Phys Res B 179 2001 557 Darque Ceretti H N Migeon M Aucouturier dans mission ionique secondaire SIMS Proc dures d analyse P 2 619 E Darque Ceretti H N Migeon M Aucouturier dans Emission ionique secondaire SIMS Principes et appareillages P 2 618 F Green Gilmore M Seah Appl Surf Sci 252 2006 6591 M Pellin C Young W Calaway D Gruen Nucl Instrum Methods in Phys Res B 13 1986 653 C Magee R Hockett T B y klimanli Abdelrehim J Marino Nucl Instrum Methods in Phys Res B 261 2007 594 Y Yamamoto N Shimodaira Appl Surf Sci 255 2008 860 T Janssens C Huyghebaert W Vandervorst Appl Surf Sci 203 204 2003 90 T Janssens C Huyghebaert W Vandervorst A Gildenpfennig H H Brongersma Appl Surf Sci 203 204 2002 30 A Takano H Takenaka Appl Surf Sci 255 2008 1348 P Rostam Khani J Philipsen E Jansen H Eberhard P Vullings Appl Surf Sci 252 2006 7255 T Matsunaga S Yoshikawa K Tsukamoto Surf Sci 515 2002 390 143 Bibliographie 15 16 17 18 19 20 21 22 25 24 25
122. lusions et Perspectives L effet de matrice a t tudi en analysant diff rents elements implantes dans des matrices semi conductrices Suite une concentration superficielle faibe en halog ne le rendement utile des l ments implant s sous bombardement halog ne tait inf rieur celui sous bombardement O m me pour les l ments formant des liaisons fortes avec les halog nes Bien que l effet de matrice soit toujours pr sent le bombardement l s est av r le plus ad quat pour diminuer l effet de matrice Finalement des analyses de matrices semi conductrices sous bombardements O et F combin s des soufflages O respectivement SFe ont t r alis es Suite au processus de d capage aucune augmentation de la concentration superficielle en fluor n a t possible par le soufflage SFe En cons quence une am lioration de la probabilit d ionisation par rapport au bombardement F seul n tait pas possible Par contre une augmentation du rendement utile en fonction de la concentration superficielle en oxyg ne pouvait tre observ e sous bombardement E accompagn d un soufflage O2 Au niveau des processus physiques et chimiques la surface des diff rents chantillons induits par le bombardement halog ne une tude de ceux ci en termes de concentration en esp ces r actives implant es de variation du travail de sortie est n cessaire pour bien comprendre et am liorer la g n ration des ions second
123. menter de plusieurs ordres de grandeurs par rapport celui d une surface vierge l est bien connu que la probabilit d ionisation des ions secondaires lectropositifs augmente avec l implantation d ions primaires lectron gatifs dans la surface Pour cette raison le bombardement d une surface avec des ions primaires O2 et O est appliqu dans les analyses SIMS pour am liorer le rendement utile des l ments electropositifs La configuration optique du NanoSIMS 50 exige une polarit oppos e des ions primaires et des ions secondaires Pour cette raison les analyses des l ments lectropositifs se font par un bombardement d ions primaires O La brillance du faisceau ions O qui est g n r par une source duoplasmatron est cependant faible compar e celle d autres faisceaux Introduction d ions r actifs tels que 02 ou Cs Cette faible brillance m ne des tailles de sondes plus grandes et par suite une moins bonne r solution lat rale de l analyse Le potentiel du NanoSIMS 50 en termes de r solution lat rale n est donc pas disponible pour des l ments secondaires positifs tandis qu une r solution lat rale de 50 nm est atteinte en mode secondaire n gatif sonde Cs la r solution n est que de 250 nm en mode secondaire positif sonde O Ceci limite un grand nombre d applications du NanoSIMS en biologie m dicine et science des mat riaux pour lesquels des l ments lectropositifs doivent tre d
124. n des ions F dans un plasma ont bien t tudi s 140 141 En plus SF a t utilis pour g n rer des ions GE pour des tudes SIMS 142 34 La mol cule Ge consiste en un atome de soufre central autour duquel les atomes de fluor sont arrang s en forme octa drique La distance de liaison est de 1 576 146 L attachement d un lectron la mol cule SFe se trouvant dans l tat fondamental se fait pr f rentiellement pour une nergie d impact de 0 eV Si la mol cule est excit e vibrationnellement la probabilit d ionisation de la mol cule pour former un ion SFg atteint son maximum 0 38 eV 147 L affinit lectronique de la mol cule SFe est de 1 06 eV 148 Plusieurs possibilit s de d composition existent partir de lion SFg instable dont les plus importantes sont SE gt SE F oF SE F SF gt SF F SF gt SF F 4 1 Diff rentes valeurs pour l nergie de dissociation D ont t trouv es par exp riences et par simulation Pour toutes les d compositions indiqu es une nergie de d composition de quelques eV a t mesur e selon l ordre D SFs F D SF 4 F2 gt D SF5 F gt D SF F 148 149 A une nergie 67 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I d impact des lectrons sup rieure 2 5 eV l ion F est le fragment produit par dissociation le plus dominant 4 2 2 CHCIF A cause des m mes probl mes de toxic
125. n des plasmas oxygene et argon En mode positif des courants O2 et Ar jusqu 2 uA peuvent tre extraits En mode n gatif l extraction d un courant O de 200 nA est possible 129 A part le duoplasmatron Cameca utilis pendant ce travail il existe encore d autres types de duoplasmatrons Le duoplasmatron PS 100HIS cathode chaude de Peabody Scientific 130 est utilis principalement pour l ionisation des atomes H He Ar Kr C F et O et des mol cules Ge et CF4 Un courant Ar et O de quelques 100 nA ainsi qu un courant GE de quelques 10 nA peuvent tre g n r s avec cette Source Concernant les duoplasmatrons de Physicon 131 une brillance maximale de 800 A cm sr est indiqu e pour le mod le P N DP10 Le model P N DPQ 101 qui a t adapt pour les utilisations SIMS fonctionne avec des cathodes chaudes ou froides Le courant maximal affich est 25 UA Le duoplasmatron cathode chaude commercialis par National Electrostatics Corps NEC 132 est utilis pour produire des faisceaux ions He O et Ar avec un courant d ions de 2 2 5 mA acc l r s avec une tension jusqu 30 kV o4 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions Chapitre 3 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions Une bonne connaissance des proprietes physiques de la source a ions est indispensable pour effect
126. n du taux de m lange O2 SFe a t observ e pour une concentration du SFe entre 10 et 30 9o En dessous de 10 de SFe le courant ions F diminuait Au dessus des 30 9e le plasma tait instable et s est teint apr s quelques minutes ouite aux difficult s de d marrage du plasma avec le m lange de gaz O SFe le plasma a t d marr en utilisant l oxyg ne pur Apr s un temps 70 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I de stabilisation du plasma oxygene le m lange de gaz a t inject dans la source En prenant conscience des difficult s de d marrage du plasma avec le m lange de gaz l injection de gaz pour les autres plasmas halog nures a t r alis e en utilisant un syst me d injection individuel pour chaque gaz utilis En utilisant cette configuration le m lange des gaz s est fait dans la source elle m me Dans le cas du faisceau ions CI un systeme de deux vannes micro fuites a t utilis Par ce syst me le taux de m lange ne pouvait plus tre d termin Par contre pour s assurer d avoir toujours la m me quantit de gaz CHCIF2 dans le duoplasmatron pendant les exp riences la vanne micro fuite de cette ligne de gaz a toujours t ouverte au m me d bit Suite l tat liquide du brome et l tat solide de l iode il est n cessaire d vaporer ces l ments avant l injection dans le duoplasmatron Ceci a t r
127. nce maximale des faisceaux a ions F Cl Br et sont le courant d arc la pression et l intensit du champ magn tique r f renc e la tension de la bobine Aucune relation n existe entre les trois param tres Les propri t s du faisceau sont analys es en variant un des trois parametres tout en gardant les deux autres parametres constants Par m connaissance des valeurs id ales du courant d arc du champ magn tique et de la pression au d but des exp riences on tait oblig de fixer deux de ces param tres au hasard pour les diff rentes mesures Le cas du F ou la pression et le champ magn tique ont t vari s Figure 4 1 tout en gardant le courant d arc fix lac 150 mA est seulement un exemple pour expliquer la proc dure de mesure En comparant les diff rentes mesures les conditions optimales de pression et intensit du champ magn tique ont t trouv es Ces mesures ont ensuite t r p t es en fixant le champ magn tique et en variant p et larc 13 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Courant ions nA 2 Brillance B A cm sr gt On Diam tre du faisceau um 220 800 220 800 1 1 150mA 200 200 SES 750 750 obine 180 3 180 1 700 700 160 A SH 160 e c5 X 140 4 650 SS
128. ndant les simulations Aucun accord n a t trouv entre les r sultats exp rimentaux et les simulations des rendements de pulv risation pour Ni et Cu Dans le cas du Ni l cart entre la valeur exp rimentale et la valeur simul e pour le bombardement F est de un ordre de grandeur Cet cart s explique par la grande r activit du fluor et la formation d une couche superficielle fluor e Suite la surface inerte de l argent la formation d une couche superficielle comme dans le cas du Ni et du Cu est peu probable Sous les bombardements F et O les rendements de pulv risation exp rimentaux sont presque identiques ceux d termin s par simulations Un bon accord entre le r sultat exp rimental et la simulation a t d termin pour le bombardement F de la surface Ta tandis que pour des ions primaires de masses plus lev es l cart devient de plus en plus grand 5 6 Concentration des ions primaires implant s 5 6 1 Approximation bas e sur le rendement de pulv risation Pendant le bombardement d un chantillon un certain nombre d ions incidents est implant dans la surface La concentration des ions implant s augmente jusqu ce que l tat d quilibre soit atteint A l tat d quilibre le nombre d ions implant s quivaut au nombre d ions primaires repulv ris s voir chapitre 1 5 3 Une approximation de la concentration C des ions primaires implant s peut par la suite tre calcul e sur base du ren
129. ne diminution du rendement utile de Si d un ordre de grandeur sous bombardement CF3 189 A cause d une concentration superficielle faible des halogenes les rendements utiles sous bombardement E Cl 1 410 Br 1 210 et I 7 210 sont presque identiques Suite la formation d une couche SiO dans laquelle les electrons sont fortement localis s une description du processus d ionisation plus ad quate est donn e par le mod le de rupture de liaisons En r capitulant la concentration des halog nes aux surfaces des semi conducteurs est faible Le travail de sortie ne change pas beaucoup pendant le bombardement avec des halogenes ll en r sulte un rendement utile plus faible sous bombardement halog ne que sous bombardement CO pour lequel une concentration plus lev e en oxyg ne a t mesur e la surface Al Ta L aluminium tant un l ment lectropositif la probabilit d ionisation sous bombardement O est lev e Ainsi il en r sulte un rendement utile de 6 210 Sous bombardement CT un rendement presque identique de 4 7 10 a t mesur tandis qu il diminue sous bombardement E 210 respectivement Br 118 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I 2 4 10 pour atteindre finalement sa valeur minimale sous bombardement I 110 Finalement aucune am lioration du rendement utile n a t obtenue par le bombardement halog nure par rapport celui de l oxyg ne D
130. ns le cadre de cette th se la sensibilit des analyses est r f r e par le rendement utile Celui ci est d fini par le rapport entre le nombre d ions M d tect s et le nombre d atomes M du m me l ment pulv ris s N UY lons d tect s de l l ment M 1 16 N Atomes pulv ris s de l l ment M 1 5 1 Relation entre le signal d tect le rendement de pulv risation Y et la probabilit d ionisation p Si on consid re un l ment M se trouvant avec une concentration Cu exprim e en fraction atomique dans l chantillon chaque impact primaire engendrera l mission de Yucu atomes neutres M Yy est le rendement de pulv risation de l l ment M Le flux d atomes neutres M est par suite directement proportionnel la concentration de cet l ment dans l chantillon Le nombre d ions M au dessus de la surface apr s chaque impact primaire s exprime par Ywowf m L intensit mesur e pour les ions M est donn e par M E Y Cu Bu Ku 1 17 lp repr sente le courant des ions primaires et ky est un facteur experimental transmission et d tection relatif aux ions M en question 32 Chapitre 1 La technique SIMS 1 5 2 Optimisation de la probabilite d ionisation La composition d un chantillon change en fonction de la concentration des ions implant s Dans le cadre de ce travail une tude de la variation du rendement utile en fonction de la concentration des ions primaires implant s s
131. ns ont un impact sur le rendement de pulv risation Ainsi le rendement de pulv risation d une surface oxyd e ou d une surface contenant des halog nes est diff rent de celui d une surface m tallique vierge Malgr une masse plus lev e du Ta les rendements de pulv risation des matrices Al et Ta sous bombardement E 71 1 et CF 72 0 sont identiques Les valeurs mesur es pour la matrice Al sous bombardement O 0 4 Br 4 4 et l 6 4 sont par contre l g rement diff rentes de celles d termin es pour la matrice Ta 0 6 sous O 2 6 sous Br et 7 5 sous I Il convient nouveau de constater la valeur plus lev e trouv e sous F par rapport O La matrice de Ni est le seul cas tudi pour lequel le rendement de pulv risation sous bombardement F 0 3 est nettement plus faible que celui 104 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I sous bombardement O 1 4 Par la presence du fluor une couche de passivation extremement stable se forme a la surface du nickel Pour cette raison le nickel et des alliages de nickel sont utilises pour le stockage des gaz F2 respectivement HF En consequence de la couche de passivation le potentiel de la surface change consid rablement Il en r sulte un rendement de pulv risation faible sous bombardement F Des liaisons ioniques se forment aussi en pr sence du chlore brome et iode La structure cristalline form e la surface est similaire pou
132. nterm diaire 114 121 Le plasma haute densit ionique se trouve entre l lectrode interm diaire et l anode colonne de l anode Dans cette r gion le plasma est comprim par un champ magn tique inhomog ne g n r par une bobine entourant le 45 Chapitre 2 Le duoplasmatron plasma Figure 2 2 La densit ionique maximale du plasma de 10 cm est situ e pr s de l anode l endroit du maximum du champ magn tique ME D 91192 E be 1 2 B z Figure 2 2 Diagramme de la configuration des lectrodes du duoplasmatron 1 Colonne de la cathode 2 colonne de l anode K cathode IE electrode interm diaire A anode C cage d expansion Ext extraction B z profil axial du champ magn tique avec les poles et IE 122 Dans le cadre de l optimisation de la stabilit du plasma plusieurs mat riaux d lectrodes ont t test s 123 Une bonne stabilit t trouv e en utilisant du Ni pour la cathode et un mat riel ferromagn tique pour l lectrode interm diaire et l anode Le champ magn tique ne peut pas p n trer dans la colonne de la cathode cause de la cathode interm diaire ferromagn tique 46 Chapitre 2 Le duoplasmatron 2 4 2 Distribution du potentiel electrostatique dans le duoplasmatron La distribution du potentiel electrostatique dans le duoplasmatron est montree dans la Figure 2 3 Voltage 1 2 3 Figure 2 3 sch
133. ntillon se fait dans la colonne secondaire Dans la colonne secondaire du SIMS IMS4f les ions secondaires venant de l chantillon et acc l r s par un champ lectrique sont analys s La trajectoire des ions secondaires travers le syst me optique du SIMS IMS4f est marqu e en vert dans la Figure 1 2 Un syst me de collection des ions secondaires un syst me de transfert un secteur pour s parer les ions secondaires selon leur nergie et leur masse et un secteur de d tection est n cessaire pour analyser l chantillon Une simulation de la trajectoire des ions secondaires travers le syst me optique est r alis e dans la r f rence 48 L image de l chantillon par des ions secondaires est form e par une lentille immersion 49 Un champ lectrique uniforme appliqu entre la surface de l chantillon et une lectrode parall le la surface qui est li e la masse est utilis pour extraire les ions secondaires Apr s l extraction les ions secondaires passent par un syst me de trois lentilles de transfert 50 avec lesquelles la zone d analyse est d finie L image form e par les lentilles de transfert se trouve dans le plan de la fente d entr e Derri re la fente d entr e se trouve le diaphragme de contraste Comme les lentilles de transfert projettent un cross over dans le plan de diaphragme de contraste ce dernier joue le r le d un filtre en nergie lat ral des ions transmis Les ions nergie lat rale
134. on 1 3 1 Le bombardement ionique Pour comprendre le ph nom ne de pulv risation d un chantillon il faut connaitre les caract ristiques des collisions section efficace diff rentielle collisions in lastiques entre les ions primaires et la cible Pour une matrice anisotrope pulv ris e avec un faisceau ions on distingue trois types de cascades de oollisions i r gime un choc Le modele du r gime un choc est applicable si l nergie transferee des ions incidents dans la matrice suffit seulement pour produire quelques atomes de recul isol s Ceci est le cas pour la pulv risation nergie faible ou pour la pulv risation de la matrice avec des ions incidents l gers H He 56 ii cascade lin aire L nergie transf r e des ions incidents est plus lev e que dans le cas des collisions faible nergie Les ions incidents provoquent une s rie de collisions dans l chantillon Les atomes avec une nergie de recul assez forte g n rent de nouvelles cascades de collisions L ion incident et les 14 Chapitre 1 La technique SIMS atomes de recul peuvent tre r tro diffus s vers la surface par une s rie de collisions La majeure partie de l nergie de pulv risation provient des ions retro diffuses et des atomes de recul Pourtant seulement une minorit de ces atomes sont pulv ris s 1 57 58 La trajectoire de freinage des ions incidents et des atomes de recul nerg tiques es
135. on de la concentration superficielle en iode la surface Par ce fait le rendement utile mesur est pareil celui mesur pour la matrice Cu Bien que le cuivre forme des liaisons fortes avec les halogenes la probabilit d attachement d un halogene a un atome Cu est diminu e par une concentration faible des halogenes la surface des semi conducteurs Ainsi s explique le rendement utile faible du cuivre implant dans des matrices 127 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I semi conductrices Par la pr sence de l aluminium dans la matrice AsGaAl une concentration superficielle lev e des halog nes est suppos e pour cet chantillon Ainsi un rendement utile Cu plus lev mesur sous bombardement F CI et Br est expliqu en comparaison avec le rendement utile Cu mesur pour les autres matrices semi conductrices D autre part il nest pas clair pourquoi le rendement utile Cu est si bas pour le bombardement I de la matrice ouite une concentration plus lev e des halog nes la surface Cu le rendement utile Cu mesur pour les diff rents bombardements ioniques est plus lev compar au rendement utile du cuivre implant dans les diff rentes matrices semi conductrices Le rendement utile du titane implant dans les m mes matrices que le cuivre a t mesur Figure 5 13 O D lt O ro Rendement utile UY Ti Ipi G A 9 Si AsGaAl InGaA
136. on des atomes d un chantillon dans lequel il existe des liaisons fortement localis es entre les atomes et les lectrons p ex des liaisons ioniques Des exemples types pour ce groupe d chantillons sont les isolants comme les c ramiques les verres PVC 1 4 3 Mod le effet tunnel lectronique Dans le modele a effet tunnel la rupture de liaison dans un chantillon induite par la pulv risation des atomes de la surface agit sur un grand nombre d lectrons dans la bande de valence Du a la mobilit des electrons dans l chantillon les electrons excites dans la zone d impact sont rapidement diffus s dans les diff rents niveaux nerg tiques de la bande de valence Le modele d mission a effet tunnel consid re la transition lectronique entre les atomes pulv ris s et les lectrons de la bande de valence du m tal 93 95 Dans le mod le d ionisation par effet tunnel la bande de valence poss dant une densit constante de niveau d excitations est occup e par des lectrons 2f Chapitre 1 La technique SIMS consideres comme presque libres Le travail de sortie est defini par la difference nerg tique entre le niveau de Fermi Er et le niveau du vide Figure 1 12 Le transfert d un lectron entre le niveau en nergie E4 de l atome pulv ris et les niveaux lectroniques de la bande de valence avec la m me nergie est d crit par le processus r sonant de transfert lectronique nergie niv
137. oncentration de saturation Tandis qu une concentration de saturation en oxygene de 60 la surface Ni serait obtenue par une couche Ni2Os la concentration en oxyg ne d termin e experimentalement est de seulement 42 Ainsi une oxydation non complete de la surface par la formation d une couche NiO est suppos e 183 En pr sence des halogenes des liaisons stables NiX2 X F Cl Br et se forment la surface du Ni 184 Par ce fait la concentration maximale en atomes halog nures serait de 66 A moins qu un depot en fluor pur s ajoute a une surface satur e la concentration calcul e a partir du rendement de pulv risation exp rimental pour le fluor 77 est surestim e Suite des r actions superficielles similaires pour les halog nes les concentrations des halog nes implant s devraient tre plus ou moins similaires Par contre il a t constat que les concentrations du chlore 20 du brome 22 et de ode 71196 sont largement inf rieures celle du fluor Il est suppos que des adh sions plus faibles du Cl Br et sont responsables pour la faible concentration Pareil que pour le nickel l existence d une couche superficielle stable de CuO pour la matrice Cu est possible Ainsi s explique la concentration identique de l oxyg ne la surface Ni et Cu Vu la concentration identique de 13 en fluor chlore et brome la surface Cu on peut conclure des processus superficiels identiques pour ces l ments
138. ons resultaient en une nergie d impact des ions primaires de 14 5 keV L optique de la colonne primaire menait des courants ioniques sur l chantillon 7 a 8 fois plus lev s que ceux mesur s sur le banc test ou les angles taient beaucoup plus limit s afin de pouvoir d terminer les brillances avec pr cision La mesure du courant primaire tait r alis e sur la cage de 97 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Faraday de la colonne primaire qui a t pr alablement calibr e a l aide d une cage de Faraday plus pr cise mont e sur le porte chantillon afin d viter des erreurs de mesure li es l mission d lectrons Le diametre de la sonde form e sur l chantillon d pendait des propri t s physiques du faisceau notamment la brillance d termin es dans le chapitre 4 et du courant choisi Un diametre approximatif de 25 um pour un courant ions F de 100 nA a t observ Par contre un diametre de 100 um a t mesur pour le faisceau ions CI un courant de 20 nA L angle d inclinaison de la colonne primaire est de 30 par rapport la normale la surface de l chantilon Suite la tension appliqu e l chantillon les ions incidents sont d vi s et leur trajectoire devient parabolique Pour nos conditions analytiques l angle d incidence r sultant tait de 25 par rapport a la normale la surface Cet angle d incidence est ind pendant de l
139. ors dans le plasma et par le processus d ionisation partir de la mol cule SFe voir chapitre 4 2 1 Le maximum du courant pour F a t mesur pour une tension appliqu e de 15 V A ce champ magn tique la g n ration et l extraction des ions F du plasma taient les plus favorables Pour des champs plus forts le courant diminuait Un comportement similaire F a t observe pour Cf Apres avoir atteint le courant maximal de 3 60 nA pour une tension appliqu e de 20 V le courant CT diminuait nouveau pour un champ magn tique plus lev 78 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I F 70 SS Sei 60 amp Br 50 w 40 30 lt S e 8 E D gt 6 i 2 8 4 Kai em 0 5 10 15 20 25 30 35 Tension appliqu e la bobine du champ magn tique U V Figure 4 4 Courants ions F Cl Br et en fonction de l intensit du champ magn tique Le courant d arc et la pression sont constants Le maximum du courant de 8 60 nA a t mesur pour une tension appliqu e entre 25 et 30 V Pareil que pour F et CI le courant diminuait pour des champs magn tiques trop lev s Une pr sence de plusieurs maxima de courant l comme d crit dans l article 161 n a pas t constat e Il est suppos que cette baisse de courant est li e une saturation du champ magn tique dans le duoplasmatron Ceci implique une redistribution de la
140. ositive Une petite variation de cette proportionnalit t observ e pour des masses lourdes Ceci s explique par la probabilit de la double ionisation qui est plus lev e pour des masses lourdes 0 4 B Figure 2 4 Influence du gaz sur l intensit du courant ions et sur le mode appauvri de l arc 124 2 4 6 Extraction d ions Il est bien connu que le syst me d extraction est un point critique des sources a ions 125 Par le fait que le plasma n est pas neutre localement et par la mobilit plus lev e des lectrons une accumulation de charges n gatives se trouve au bord du plasma tandis que sur l axe du plasma la densit de charges positives est plus lev e 126 Une augmentation du courant d ions positifs 52 Chapitre 2 Le duoplasmatron ou n gatifs peut tre atteinte par le d placement de l lectrode interm diaire par rapport l axe de l lectrode d extraction La densit du plasma pres de l anode est tellement lev e qu une partie du plasma est diffus e dans la r gion d extraction Le plasma est trop serr dans le diaphragme de l anode avec le diam tre S4 Figure 2 1 ce qui mene une divergence du faisceau Pour diminuer cette divergence il faut appliquer une tension d acc l ration de plusieurs 10kV ou il faut r duire la densit du plasma dans le diaphragme de l anode Ceci est r alis par une cage d expansion qui se trouve directement derri re le diaphragme de l anod
141. ouche de soufre pouvait tre d tect e Cette couche isolante tait responsable pour les instabilit s du plasma Os SF6 Le carbone d tect provient de la fixation de l chantillon Suite a des interferences entre le fluor et le fer une d tection du fluor n tait pas possible Un prolongement de l utilisation de la source ions pouvait tre atteint par le nettoyage de celle ci en utilisant un plasma d oxyg ne pur Apr s l utilisation de la source par un plasma contenant les mol cules O9 SFe CHCIF et l2 les electrodes de la source ainsi que le r servoir contenant ode ont t nettoy s avec de l thanol Dans le cas du brome le nettoyage avec l thanol n tait pas applicable cause de la cr ation du bromo thane qui est un narcotique II fallait dans ce cas utiliser une solution de thiosulfate de sodium pour le nettoyage du duoplasmatron et du r servoir contenant le brome 92 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Counts 300 200 100 20 Energy keV Figure 4 12 Analyse EDX de lanode du duoplasmatron apr s une semaine de fonctionnement avec le plasma O SFs Une contamination de soufre est visible 4 10 Conclusions La g n ration d ions O F Cl Br et l aide dun duoplasmatron non modifi de CAMECA a t d crite Une tude du diametre du courant et de la brillance des faisceaux F Cl Br et a t effectu e en
142. par l quation 5 4 La surface Ag tant chimiquement inerte un d capage de la surface Ag est improbable La faible concentration en oxygene et en fluor est plut t expliqu e par une desorption des atomes oxygene et fluor de la surface 186 187 Aucune mesure AES n a t r alis e pour d terminer la concentration surfacique en Cl Br et Comme les propri t s chimiques de ces l ments sont similaires celles du fluor les effets de surface induits par ces l ments vont tre similaires ceux constat s pour le fluor 5 7 Rendement utile 5 7 1 R sultats exp rimentaux Le rendement utile des diff rents l ments pulv ris s des matrices semi conductrices et m talliques a t d termin pour les bombardements CO F Cl Br et Figure 5 9 En consid rant le modele d ionisation par effet tunnel lectronique une repr sentation graphique du rendement utile en fonction de la diff rence entre le potentiel d ionisation et le travail de sortie a t choisie Suivant les processus la surface pendant le bombardement avec les halogenes les chantillons analyses peuvent tre r partis en trois groupes le groupe des semi conducteurs InP GaAs Ge et Si le groupe des m taux AI et Ta etle groupe des m taux Ni Cu et Ag 115 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I Les semi conducteurs InP GaAs Ge et Si Pour ce qui est du bombardement O une oxydation de la su
143. pliqu s par le modele effet tunnel lectronique La comparaison entre le mod le effet tunnel lectronique et les r sultats exp rimentaux pour le bombardement F Cl Br et est faite dans Figure 5 11 Vu le comportement chimique similaire des halogenes les explications donn es pour d crire le rendement utile mesur sous le bombardement E sont aussi valables pour les bombardements Cf Br et Ainsi une d croissance du rendement utile en fonction de la diff rence LO est aussi observable sous les bombardements CI Br et I La concentration en especes implantees et l lectron gativit diminuent avec la masse des ions halog nes incidents En cons quence la variation du 123 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I travail de sortie apr s implantation des ions incidents est moins prononc e pour les halogenes lourds lI que pour les l gers F Ainsi des conditions moins favorables au niveau de la probabilit d ionisation en r sultent pour les halogenes lourds Ceci se traduit par une diminution du rendement utile avec la masse des halogenes incidents lons primaires e F ad OU Br A Fit lineaire Rendement utile UY 1 2 3 4 5 6 Diff rence entre le potentiel d ionisation et le travail de sortie I eV Figure 5 11 Correlation entre les rendements utiles d termin s exp rimentalement et le mod le effet tunnel lectronique pour les bombardemen
144. ptimisation de la probabilit d ionisation 33 1 5 3 Effet des ions primaires implant s onnennnnennnnennensnrensrrrrrreren 33 1 5 4 Optimisation de la probabilit d ionisation par soufflage 34 AN BN eil E Cd te ith uui dra a ttu eoe ni n 37 ENEE 37 222 ANS 6 2 S DEE 37 2 2 1 Le taux d ionisation du plaema 38 2 2 2 La temp rature du plasma secs eeeeeseeeeeseeseeseeeeeseeeaes 39 2 2 3 Dislance e Rea e E 39 2 2 4 Collisions des particules dans le plasma 40 2 2 9 Le Champ Magneligue sushi 41 2 9 ONISal on dans UN DIASIN E ne 42 2 3 k Lesions ee Et 42 2 9 2 NES IONS NEO E 43 2 4 Le Duoplasmatron eese nennen nenne 44 ZAG SCM ONE 44 2 4 2 Distribution du potentiel lectrostatique dans le duoplasmatron 47 2 4 3 R partition des courants dans le duoplasmatron 49 2 4 4 Geometrie Ee Uer 50 2 4 5 Influence de la masse des atomes du gaz sur le courant a ions 51 25 EXraction IOS EE 52 2 5 Brillance de la source m RII IRR 53 2 6 Revue des diff rents duoplasmatronS onennoneennnnenonnennnnsrrrrrersrrenne 54 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux a IONS naar 55 9 1 AlUslage della SOURCE EE 56 3 2 La trajectoire du faisceau ions travers le banc test 58 3 3 Deleclian des IONS e 61 3 4 Mesure du
145. r pour une pression lev e de 6 710 mbar Par contre dans la gamme de pression entre 2 410 mbar et 3 710 mbar un diam tre de 690 um a t mesur ce qui est proche du diam tre minimal Dans cette gamme de pression les conditions menant la brillance la plus lev e ont t trouv es Le diametre des faisceaux Cl et Br augmentait pour des pressions en dessous de 210 mbar ce qui est expliqu par une expansion du plasma ouite des instabilit s du plasma il n tait pas possible de mesurer les propri t s des faisceaux F et pour des pressions inf rieures a 3 7 10 mbar Une augmentation du diam tre du faisceau Br tait mesur e pour des pressions au dessus de 3 710 mbar contrairement au comportement des autres especes ioniques des pressions plus lev es Aucune explication n a t trouv e pour d crire ce comportement Le diametre minimal de 610 620 um du faisceau Br a t mesur une pression de 2 8 10 mbar 87 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I Finalement le diametre le plus lev de 20 um a t mesur pour le faisceau 4 7 2 Courant Une forte variation du courant ions a t mesur e en fonction de la pression pour les diff rents faisceaux Une allure similaire des courbes en fonction de la pression a t observ e pour tous les ions tudi s F 80 e Ol 60 4A Br
146. r dit une d pendance du rendement de pulv risation de Y E 0 Y E 0 cos 1 6 b est un facteur qui d pend du rapport MAM Pour M M gt 5 besi et la d pendance angulaire est peu pres 1 cos 0 Pour MAM lt 3 b 5 3 Le rendement de pulv risation diminue rapidement si on se rapproche des angles rasants 90 la surface car une grande partie des ions primaires est r trodiffus e par la surface Au niveau de l chantillon la pulv risation d pend de la nature de la cible Le rendement de pulv risation d pend fortement de la masse des atomes de la cible et de l nergie de liaison des atomes de la surface Un autre facteur intervenant dans le processus de pulv risation est la densit atomique de la cible Figure 1 9 21 Chapitre 1 La technique SIMS Hendement de pulv risation Y Densit atomique atoms A3 Figure 1 9 Variation du rendement de pulv risation Y du Ge bombard avec des ions primaires Ar incidence normale en fonction de la densit atomique La fl che indique la densit naturelle du Ge 80 Pour une cible plus dense les ions incidents p n trent moins profond ment dans la cible Les cascades de collisions se situent plus en surface ce qui favorise la pulv risation des atomes pr s de la surface Une d pendance du rendement de pulv risation N a t trouv e o N est la densit de la matrice et p est une fonction qui d pend de l nergie et de l an
147. r les halog nes Par contre les empilements compacts pour le brome et l iode sont diff rents que pour le chlore En tenant compte de ces facteurs le rendement de pulv risation similaire sous bombardement Cl 4 4 et Br 3 8 s explique Le rapport entre les rendements de pulv risation sous bombardement I 8 5 et Br est coh rent avec le rapport entre les masses de ces deux projectiles Une r action chimique la surface du cuivre implique la formation d une couche superficielle contenant des halog nes Les structures cristallines de la surface CuF2 CuCl et CuBr sont identiques M me si une saturation de la surface pendant le bombardement n est pas atteinte des comportements surfaciques identiques du cuivre sous bombardement F Cl et Br peuvent tre attendus Il en r sulte des rendements de pulv risations similaire sous irradiation F 7 4 Cl 6 6 et Br 6 1 En raison des erreurs de mesure qui sont dues des incertitudes sur la mesure de la profondeur des crateres rugosit importante induite par le bombardement la relation entre le rendement de pulv risation en fonction de la masse des ions incidents ne peut pas tre discut e Pour l iode seulement la formation d une surface stable Cul est connue Ainsi le potentiel de la surface et la structure cristalline r sultant du bombardement l diff rent de ceux sous bombardement F CI et Br En cons quence le rendement de pulv risation mesur pour 16 3 est plus grand
148. raits est la position de l lectrode interm diaire Comme les charges n gatives se trouvent plut t au bord du plasma dans le duoplasmatron un d calage de l lectrode interm diaire par rapport au diaphragme de l anode d extraction est n cessaire pour favoriser l extraction des ions n gatifs 126 L lectrode interm diaire se laisse d caler dans la direction verticale par rapport au milieu du diaphragme de lanode d extraction Une d termination de la position exacte de l lectrode interm diaire est impossible avec la configuration de la source utilis e D autre part la position de l lectrode interm diaire pour l extraction favorable des ions n gatifs est ind pendante des autres facteurs de la source comme le courant d arc le champ magn tique et donc ajustage de la position de l lectrode interm diaire correspondant a l extraction du courant maximal des ions primaires est valable pour toutes les exp riences La densit des ions n gatifs dans le duoplasmatron d pend de la pression de gaz dans la source La pression peut tre mesur e pres de lanode d extraction mais il a t remarqu que la pression cet endroit est trop lev e 10 10 mbar pour que la jauge de pression tienne compte des faibles variations de pression de 410 mbar Un ajustage plus pr cis de la pression est possible si celle ci est mesur e pr s de la lame de rasoir du 97 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t
149. rendement de pulv risation Le rendement de pulv risation Y est donn par la relation entre le nombre de particules pulv ris es et le nombre de particules incidentes selon _ nombre d atomes pulv ris s nombre de particules incidentes 1 1 En SIMS la cible est pulv ris e par des ions incidents Le rendement de pulv risation d pend de la masse de l nergie et de l angle d impact des ions incidents 59 61 Au niveau de l chantillon le rendement de pulv risation 16 Chapitre 1 La technique SIMS depend de la masse et de l nergie de liaison entre les atomes dans une matrice des propri t s de la surface et de la cristallinit de la matrice Les deux termes d crivant le processus de pulv risation sont la densit de l nergie de mouvement des atomes de la surface g n r e par les atomes incidents et un facteur contenant la densit atomique et l nergie de liaison des atomes de la surface 28 Pour avoir une id e de l ordre de grandeur du rendement de pulv risation celui ci peut tre simul par le logiciel TRIM en fonction des diff rents parametres affectant le rendement de pulv risation 62 63 Supposant que la surface de la cible n a pas d influence sur la cascade de collision le rendement de pulv risation est proportionnel l nergie des collisions lastiques la surface L nergie d pos e Ep d pend de l nergie E des ions incidents et de l angle d incidence 6 En utilisant ces fact
150. rface des semi conducteurs a t v rifi e par AES c f chapitre 5 6 2 ce qui r sulte en une modification de l tat chimique de la surface Ceci implique une augmentation du travail de sortie et ainsi une diff rence entre le potentiel d ionisation et le travail de sortie qui diminue Il en r sulte une augmentation de la probabilit d ionisation D autre part seulement une concentration superficielle faible en fluor a t d tect e suite aux processus de d capage induits par le bombardement halog ne Ainsi le travail de sortie est presque identique a celui d une surface vierge Tout en accord avec le fait que la concentration superficielle est faible les rendements utiles mesur s pour les diff rents bombardements halog nes sont tr s proches Ainsi des valeurs entre 2 4 10 pour le bombardement I et 4 610 pour le bombardement E ont t mesur es Le rendement utile du Ga sous bombardement O est cependant sup rieur d un ordre de grandeur 1 410 Pareil que pour le Ga le rendement utile pour l As sous bombardement OC 8 6 10 est au dessus de celui sous bombardement E 1 6 10 Une valeur minimale du rendement utile a t trouv e pour le bombardement I 8 610 qui est dun ordre de grandeur en dessous de celui trouv pour le bombardement O Le rendement utile de l indium et du phosphore ne change que faiblement en fonction des diff rents bombardements ioniques Ainsi des valeurs presque identiques de l indi
151. ring C E Check T M Gilbert L S Sunderlin Int J Mass Spectrom 227 2003 361 L S Wielunski G D Paterson J M Bell R E Clegg Nucl Instrum Methods in Phys Res B 215 2004 262 151 Bibliographie 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 152 K K Irikura M A Ali Y Kim Int J Mass Spectrom 222 2003 189 G K Jarvis C A Mayhew L Singleton S M Spyrou Int J Mass Spectrom 164 1997 207 B Yang C Huang S Wang L Wei X Shan F Qi Y Zhang L Sheng Z Wang L Hao S Zhou J Electron Spectrosc Relat Phenom 144 147 2005 191 K G Emeleus J R M Coulter International journal of electronics 54 1983 777 L R Grisham S K Hahto S T Hahto J W Kwan K N Leung Nucl Instrum Methods in Phys Res A 544 2005 216 K N Joshipura C G Limbachiya Int J Mass Spectrom 216 2002 239 M Vinodkumar R Dave H Bhutadia B K Antony Int J Mass opectrom 292 2010 7 M V Kurepa D S Babic D S Belic Chem Phys 59 1981 125 L E Collins R J Brooker Nuclear Instruments and Methods 15 1962 193 J B Taylor B McNamara Phys Fluids AIP 14 1971 1492 H Liebl W W Harisonlnt J Mass Spectrom 22 1976 237 L Pillatsch T Wirtz H N Migeon H Scherrer Publication soumise Use of a Duoplasmatron lon Source for negative ion generation Nucl Instr
152. robabilit d ionisation par rapport au bombardement O n tait pas possible pour les semi conducteurs Dans le cas des chantillons m talliques une couche superficielle contenant des halog nes s est form e pendant l irradiation ionique Le potentiel de la surface a t modifi par la concentration superficielle en halog ne Comme pour les semi conducteurs des d saccords entre le rendement de pulv risation mesur exp rimentalement et d termin par simulations TRIM qui ne consid rent pas les changements de la composition pendant le bombardement ont t remarqu s Une am lioration de la probabilit dionisation sous bombardement halog ne par rapport au bombardement oxygene a t remarqu e pour les l ments m talliques notamment le Ni Cu et l Ag qui forment seulement des liaisons faibles avec l oxyg ne Pour ces chantillons une am lioration du rendement utile sous bombardement F de 1 2 ordres de grandeurs par rapport celui mesur sous bombardement O a t constat e Tandis que dans la plupart des cas la description du processus d ionisation d crite par le mod le a effet tunnel lectronique tait coh rente avec les r sultats exp rimentaux ce mod le n tait que partiellement valable pour les l ments formant des liaisons fortes avec les halog nes Dans ces cas il fallait aussi consid rer le modele de rupture de liaison pour la description correcte du processus d ionisation 140 Conc
153. s pour suivre les traces pour analyser des implants pour d terminer la composition d un chantillon et pour analyser des empilements de plusieurs couches Ceci est une application importante dans le domaine de l analyse des semi conducteurs Ainsi les semi conducteurs standards comme le Si 11 13 l InP 14 15 le Ge 16 17 et le GaAs 18 19 sont bien tudi s L analyses des alliages dans la m tallurgie est un autre domaine d application tr s important 20 22 Chapitre 1 La technique SIMS L imagerie ionique permet de localiser les diff rents l ments la surface et de suivre les l ments en profondeur Par cette m thode la reconstruction 3D l mentaire d un chantillon est r alisable 23 24 Des applications typiques sont l analyse de l empilement de multicouches dans le domaine de la micro lectronique des verres et des c ramiques l imagerie ionique en biologie Figure 1 1 25 27 et l analyse de polymeres Pour r soudre les probl mes des interf rences de masse entre les ions isobariques une optimisation de la r solution en masse est n cessaire Un exemple tr s connu est la s paration de masses entre CaO et Fe qui n cessite une r solution de masse de M AM 3000 D autres exemples se trouvent dans 1 28 Le sujet des interf rences de masses est important pour l tude s dimentaire en g ologie Une autre application SIMS est la d tection des isotopes dans un chantillon Ceci peut tre utilis
154. s bombardement O F Cl Bret En accord avec la th orie le rendement de pulv risation augmente avec la masse des ions incidents Ainsi le rendement de pulv risation le plus faible a t obtenu pour le bombardement O suivi par celui determine pour le bombardement F Sous bombardement l le rendement de pulv risation est cependant identique voire m me inf rieur a celui sous bombardement Br L origine de ce comportement n est pas claire Une analyse plus profonde des r sultats obtenus est r alis e dans le chapitre 9 9 9 par une tude comparative entre les valeurs mesur es exp rimentalement et celles d termin es par simulation 5 5 3 Comparaison entre r sultats exp rimentaux et TRIM Le rendement de pulv risation mesur exp rimentalement est en g n ral moins lev que le rendement de pulv risation d termin par les simulations TRIM Figure 5 6 Pendant les simulations TRIM seulement la pulv risation 107 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I par effets balistiques est consideree Dans ce contexte une surface propre est consid r e avant chaque impact atomique Ainsi aucun changement de la surface par l implantation des atomes incidents ou par la formation d une couche contenant des atomes incidents n est consid r dans TRIM R sultats exp rimentaux Simulation TRIM g O Bg F ae C d O 4 F CT m Br B 4 Br 4 I 4 4 1 A lt 4 B Rendement de
155. s du duoplasmatron et des faisceaux ions banc test c f Figure 3 1 Cette pression est prise comme r f rence de pression dans le duoplasmatron La pression est mesur e par une jauge de pression cathode froide 133 laquelle est plus fiable qu une jauge filament chaud si on travaille avec des gaz corrosifs 3 2 La trajectoire du faisceau ions travers le banc test Le faisceau ionique extrait du duoplasmatron est filtr en masse selon le rapport m e par un filtre de masse appel PBMF Primary Beam Mass Filter 47 Ce filtre de masse consiste en un champ magn tique homoge ne perpendiculaire la trajectoire du faisceau ions g n r par un syst me de deux bobines dispos es dans la configuration de Helmholtz Le rayon de d viation R des ions dans le PBMF est 134 R 1 436 10 E Me q uua um Im 3 1 B en T est l intensit du champ magn tique au centre de la configuration M en kg est la masse ionique U est la tension d acc l ration soit 10 kV et q est la charge des ions primaires Puisqu une double ionisation n gative des ions primaires est improbable que l nergie d acc l ration est toujours la m me et que le rayon de courbure est impos une masse M peut tre s lectionn e par ajustage du champ B BB ce 3 2 connu B est le champ magn tique correspondant la masse My cherch e et Beonnu est le champ magn tique connu correspondant la masse Mconnu conn
156. s halog nes dans les semi conducteurs n est pas possible par ce mod le Une augmentation de la probabilit d ionisation en fonction de l lectron gativit des ions incidents et de la concentration superficielle de ceux ci pouvait tre valid e exp rimentalement pour les matrices Ni Cu et Ag En ce qui concerne les semi conducteurs analys s une augmentation de la probabilit d ionisation sous bombardement halog ne suite une lectron gativit plus favorable par rapport un bombardement oxygene a t emp ch e par la faible concentration surfacique des halog nes Ceci explique la faible probabilit d ionisation et donc le faible rendement utile trouv pour les matrices semi conductrices La variation du rendement utile par l effet de matrice a t analys e pour des implants des l ments Cu Ti Si et B dans diff rentes matrices semi conductrices Le bombardement s est av r le plus ad quat pour diminuer l effet de matrice mais les rendements obtenus sont plus faibles que pour les autres bombardements Aucune am lioration du rendement utile n tait possible par le soufflage SFe pendant les analyses d chantillons semi conductrices sous bombardement F Par contre les rendements utiles pouvaient tre augment s sous bombardement F par soufflage O2 En consid rant ces r sultats une am lioration de la probabilit d ionisation par le bombardement avec les halogenes semble seulement possible pour quelques ca
157. s ions secondaires sont filtr s selon leur rapport masse charge dans le secteur magn tique dans lequel ils sont d vi s par un champ magn tique perpendiculaire la trajectoire des ions secondaires L intensit du champ magn tique est contr l e par une sonde de Hall A la sortie du champ magn tique les ions sont focalis s dans le plan de la fente de sortie Par l ouverture et le d placement de la fente de sortie les interf rences de masses peuvent tre minimis es ce qui am liore la r solution de masse 54 La d tection des ions secondaires est r alis e par une cage de Faraday 55 si le courant est sup rieur 10 ions s et par un multiplicateur lectrons si le courant est inf rieur 10 ions s Une galette micro canaux coupl e un 13 Chapitre 1 La technique SIMS cran fluorescent sert visualiser une image ionique directe p ex lors de l alignement de l instrument 1 3 Pulv risation de la cible L irradiation ionique est la base de la technique SIMS Les interactions ions primaires atomes de la cible d pendent de la nature des ions primaires des conditions de bombardement et des atomes de la cible L nergie d impact et l angle d incidence des ions incidents ainsi que la nature masse densit cristallinit et topographie de l chantillon sont des facteurs d influence de la pulv risation Ces parametres d terminent les processus ayant lieu dans la cible ainsi que la pulv risati
158. s la r gion du minimum du courant Jusqua 130 mA le courant Br tait invariable Au dessus de 130 mA il augmentait l g rement pour atteindre le maximum 6 8 nA pour 150 mA Dans le cas de une augmentation du courant jusqu 12 6 nA 120 mA a t not e Au del de 120 mA le courant ions diminuait L augmentation du courant en fonction du courant d arc pour des valeurs inf rieures 120 mA est en accord avec les mesures effectu es par Liebl et al 161 La relation lin aire entre le courant d arc et le courant ions pour un champ magn tique constant donn e par l quation 2 14 dans le chapitre 2 4 3 qui 84 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I est valable pour des ions positifs ne pouvait pas tre confirm e pour des ions n gatifs La variation abrupte en diam tre des faisceaux ions ainsi que le changement du courant des faisceaux F Br et sont expliques par des transitions du plasma Il est suppos que le plasma change du mode normal au mode starvation pour lequel la densit des atomes neutres diminue Une expansion du plasma en r sulte par laquelle l augmentation du diametre est expliqu e Le courant maximal se trouve au point de transition 108 122 124 4 6 3 Brillance Une brillance maximale du duoplasmatron en mode E de 174 A cm sr a t mesur e Figure 4 8 La brillance mesur e ici est inf rieure celle mesur e en
159. s physiques des faisceaux ions notamment le diametre et le courant ions seront mesures en fonction des parametres ajust s sur le duoplasmatron comme le champ magn tique le courant d arc et la pression La brillance des faisceaux E Cl Br et l sera d termin e et compar e avec la brillance du faisceau O 4 2 Les diff rents types de gaz utilis s Avant de venir aux diff rentes propri t s des faisceaux ions une description des gaz sp ciaux utilis s est donn e et les processus d ionisation de ces gaz dans un plasma sont discut s Les gaz utilis s sont Ge pour g n rer des ions F CHCIF2 pour des ions CI Br pour des ions Br et l2 pour des ions I En plus les gaz porteurs O et Ar ont t utilis s pour stabiliser le plasma 66 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I 4 2 1 SFe A cause de la toxicit et la corrosivite du gaz pur F gt nous avons utilis l hexafluorure de soufre SFe pour g n rer des ions F SFe est un gaz inerte sans couleur et sans odeur qui tait beaucoup utilis comme gaz isolant en lectronique haute tension Sa rigidit lectrique est 2 5 fois plus lev e que celle de l air En outre ce gaz est beaucoup utilis dans l industrie des semi conducteurs pour des processus de d capage par plasma 138 139 Ainsi SFe est utilis comme donneur de fluor dans des exp riences plasma Les processus d ionisation et de g n ratio
160. s sp cifiques 138 Conclusions et Perspectives Conclusions et Perspectives Lors de cette these une tude sur la generation des ions n gatifs F Cl Br et a t r alis e l aide d un duoplasmatron non modifi de Cameca Une tude du diametre du faisceau du courant et de la brillance de la source en mode F Cl Br et a t effectu e en fonction des diff rents param tres de r glage la pression le champ magn tique et le courant d arc Les performances obtenues ont t compar es celles en mode O pour lequel la source a t d velopp e initialement La brillance de la source de 200 A cm sr en mode E tait 5 fois plus lev e qu en mode O suite un courant F plus lev tout en gardant un diametre similaire a celui en mode O Les brilances en mode CI Br et taient inf rieures d un facteur 2 a 4 par rapport celle mesur e en mode O Ceci tait du la fois des courants plus faibles et des diam tres plus lev s Les faisceaux F Cl Br et g n r s taient suffisamment stables pour effectuer des analyses SIMS La stabilit du duoplasmatron en mode halogene pourrait tre am lior e davantage si on comprenait mieux les processus d ionisation dans le plasma Une tude sur la r partition des charges dans le plasma sera n cessaire pour expliquer ces processus En plus des modifications apporter au duoplasmatron surtout au niveau des lectrodes pourraient galement permettre un
161. sP Matrice Figure 5 13 Rendement utile de Ti pulv ris de diff rentes matrices semi conductrices Les matrices sont class es selon leur masse atomique totale 128 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I Pareil que pour le cas precedent du cuivre le rendement utile Ti le plus eleve a t mesur sous bombardement oxygene Ainsi le maximum du rendement utile a t trouv pour la matrice Si 1 2 10 suivi de AsGaAl 6 10 et InGaAsP 1 8 10 Les explications valables pour le cuivre peuvent aussi tre appliqu es dans le cas du Ti Suite une concentration superficielle en halogene faible le rendement utile mesur sous bombardement F Cl Br et est inf rieur celui sous bombardement O Des petites deviations ont t trouv es pour la matrice Si pour laquelle un rendement utile Ti plus lev sous bombardement Br 2 110 que sous bombardement CI 1 310 et F 9 3107 a t trouv Le rendement utile le plus faible a t mesur sous bombardement l 6 310 D autre part la difference entre les rendements utiles mesures sous F CI et Br est seulement minime et ainsi un comportement similaire des processus surfaciques est suppos Une faible diff rence du rendement utile a aussi t mesur e pour la matrice AsGaAl sous bombardements E 2 2107 Cl 1 8107 Br 1 210 et T 9 7 10 Ceci n est pas le cas pour la matrice InGaAsP pour laquelle le rendement ut
162. seeeeeeeees 59 Figure 3 3 Diam tre du faisceau ions O dans le plan de mesure en fonction de la tension de la lentille 60 156 Table des Figures Figure 3 4 Mesure du diametre du faisceau a proc dure exp rimentale b exemple de courbe exp rimentale Le trac de dl ddistance permet de remonter au profil du faisceau 62 Figure 3 5 Param tres la base de la brillance de la source 63 Figure 3 6 Projection de la source mettant des ions dans le plan image pour le calcul de la brillance de la source 63 Figure 4 1 Courant d ions diam tre et brillance du faisceau ions F en fonction de la pression et du champ magn tique 14 Figure 4 2 Courant ions l diam tre d et brillance B du duoplasmatron en mode O en fonction de lapreseion esee 76 Figure 4 3 Variation du diam tre des faisceaux F Cl Br et l en fonction du champ magn tique pression et courant d arc constantsSuite des instabilit s du plasma pour des valeurs extr mes du champ magn tique l intervalle de la tension appliqu e la bobine du champ magn tique diff re pour les diff rentes especes ioniques Figure 4 4 Courants a ions F Cl Br et I en fonction de l intensit du champ magn tique Le courant d arc et la pression sont constants Figure 4 5 Brillanc
163. stabilit du plasma et donc la stabilit du courant ions d pendent du courant d arc dans le plasma Le courant d arc variable entre O mA et 150 mA utilis pour soutenir la d charge est fourni par une alimentation FUG La limite inf rieure du courant d arc est donn e par le courant minimal n cessaire pour garantir la stabilit 56 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions du plasma Celle ci d pend de plusieurs facteurs comme la pression dans la source le champ magn tique le type de gaz inject dans la source Le champ magn tique dans la source n cessaire pour confiner le plasma est aliment par une autre alimentation FUG Comme une mesure directe de l intensit du champ magn tique dans le duoplasmatron n est pas possible la valeur du champ magn tique est r f renc e par la tension lectrique appliqu e la bobine variable entre O et 100 V La tension est directement proportionnelle l intensit du champ magn tique dans la source Les limites inf rieures et sup rieures du champ magn tique entre lesquelles la stabilit de la source est garantie ont t d termin es par les exp riences Les ions n gatifs sont extraits de la source par une tension d acc l ration de 10 kV Cette tension correspond la tension d acc l ration appliqu e pendant les mesures SIMS Un autre param tre jouant sur le courant des ions n gatifs ext
164. t accompagn e par un grand nombre d atomes de recul poss dant une nergie faible Figure 1 5 D une trajectoire limit e de ces atomes ils peuvent seulement tre pulv ris s s ils se trouvent dans les premi res couches de la surface Vu le nombre assez lev de ces atomes ils repr sentent la plupart des atomes pulv ris s A une nergie d impact de 14 5 keV des ions incidents avec laquelle les analyses de cette th se ont t r alis es on peut consid rer le r gime de cascades lin aires iii cascade non lin aire Si une matrice est pulv ris e par un faisceau a ions lourds un faisceau de clusters ou si l nergie des ions incidents est tr s lev e la densit des atomes de recul est suffisamment lev e pour que les collisions entre atomes en mouvement soient fr quentes L hypoth se de la cascade de collision lin aire n est plus acceptable et on parle d une cascade de collision non lin aire 15 Chapitre 1 La technique SIMS X Y Profondeur Figure 1 5 Simulation TRIM d une cascade de collisions dans une matrice de Si produite par un impact d ion F d une nergie de 14 5 keV et avec un angle incident de 25 par rapport la normale de la surface La trajectoire de l ion primaire F est marqu e par les points rouges tandis que les points verts d crivent les collisions secondaires 1 3 2 Parametres de pulv risation La pulv risation de la cible est quantifiable par le
165. t similaire du brome et de l iode dans le plasma il n est pas tonnant qu un diametre minimal similaire que pour Br a t trouv pour l savoir 740 um 30 V Le plus grand diam tre a t mesur pour CI avec 860 um 15 V Il convient de noter que l intensit du champ magn tique correspondant au diam tre minimum augmente avec la masse des esp ces ioniques 71 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I H F a 1600 A Br em 1400 TD 1200 O O A 1000 gt TD O 800 D c 400 5 10 15 20 25 30 35 Tension appliqu e a la bobine du champ magn tique U V Figure 4 3 Variation du diam tre des faisceaux F Cl Br et en fonction du champ magn tique pression et courant d arc constantsSuite des instabilit s du plasma pour des valeurs extr mes du champ magn tique l intervalle de la tension appliqu e la bobine du champ magn tique diff re pour les diff rentes esp ces ioniques 4 5 2 Courant L volution du courant mesur pour les diff rents ions en fonction du champ magn tique est pr sent e dans la Figure 4 4 Le courant le plus lev a t mesur pour le faisceau ions F avec un maximum de 60 nA Le courant F tait beaucoup plus lev que le courant mesur pour les autres faisceaux Ce fait est expliqu par la concentration lev e des atomes flu
166. tential Secondary lon Mass spectrometry SIMS is a powerful surface analysis technique The ionisation probability strongly depends on the chemical surface state The generation of positive secondary ions can be enhanced by surface bombardment with electronegative elements Due to the optical configuration of the CAMECA NanoSIMS 50 that necessitates an opposite polarity of incoming and ejected ions analyses of positive ions are realized with primary O ions generated in a duoplasmatron ion source As a consequence of the low O brightness of the duoplasmatron source the lateral resolution of the analyses on the NanoSIMS 50 is not satisfactory in the positive secondary mode In this work we studied the feasibility of different alternative negative primary ion beams We investigated the possibility of F Cl Br and l ion generation with a duoplasmatron as a function of the source parameters notably the magnetic field strength the arc current and the total gas pressure The ion current and the beam diameter were measured in order to determine the F Cl Br and l brightness of the source A comparative study with the O brightness demonstrates an increase of the F brightness by a factor of 5 By using the F Cl Br and bombardment the sputtering yield the concentration of implanted primary ions and the useful yield of different semi conductor and metal samples were analysed As a consequence of a low halogen concentration related to etching effects
167. th oriques vu la faible diff rence de masse Le champ magn tique optimal tait plus lev pour les autres ions Le courant d arc optimis pour O tait faible compar avec les courants d arc n cessaires pour les autres ions ll faut remarquer que la pression id ale pour O tait plus basse que pour les autres ions Sur la plage de pression optimale pour F Cl Br et le courant O tait tr s faible 5nA 91 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I 4 9 Contamination et nettoyage de la source La dur e de vie avant nettoyage de la source affich e dans Tableau 4 4 est plut t li e aux contaminations des electrodes de la source qua la pulv risation de ceux ci par le plasma En effet une pulv risation tr s faible des lectrodes par les atomes halog nures a t constat e Comme la configuration de la source a t optimis e pour un plasma oxygene la dur e de vie en mode O tait la plus lev e Suite la faible dur e de vie de la source utilisant un plasma O SFe un nettoyage tait n cessaire toutes les semaines L origine des instabilit s du plasma apr s une semaine de fonctionnement avec un plasma O2 SF a t d termin e par une analyse de la surface de lanode par EDX Energy Dispersive X ray spectroscopy Figure 4 12 A part les composants Fe et Ni de lalliage de l anode et des traces d oxyg ne implant es dans lanode une c
168. ticules mises d pend de la densit de ces particules suivant la relation 1 N avec n 0 86 85 La nature des ions primaires a seulement une influence faible sur la profondeur d origine des atomes pulv ris s Par contre une influence de la profondeur d origine a t montr e en fonction de l nergie d impact et de l angle d incidence 85 La profondeur d origine reste constante pour des angles d incidence inf rieurs 60 86 Dans le cas des angles rasants au dessus de 60 la profondeur d origine diminue parce que les cascades de collisions se situent plus pr s de la surface Bien qu il reste des d saccords sur la profondeur d origine des particules mises il est reconnu que la plupart des atomes pulv ris s proviennent des couches directement voisines de la surface 58 82 84 85 1 4 Formation des ions secondaires En SIMS seulement des ions peuvent tre d tect s Pour augmenter le seuil de d tection d un l ment de la matrice l augmentation de la probabilit d ionisation est indispensable Pour am liorer le taux d ionisation des ions secondaires il est n cessaire de comprendre les m canismes de la formation de ces ions secondaires La probabilit d ionisation des atomes pulv ris s de la cible d pend fortement de l tat chimique de la surface Celui ci change en fonction du type et de la concentration des ions primaires implant s dans la matrice pendant le bombardement 87 Ainsi une am liora
169. tile sous bombardement tait toujours le plus faible m me si les diff rences par rapport aux bombardements F Cl et Br taient minimes pour les matrices InGaAs et InGaAsP Les explications donn es pour d crire la probabilit d ionisation du silicium sont aussi valables pour le bore En g n ral la plus faible variation des rendements utiles des l ments Cu Ti Si et B en fonction des diff rentes matrices i e le plus faible effet de matrice a t constat e sous bombardement Une approche pour expliquer ce comportement est celle d une concentration superficielle identique en iode induite par la possibilit d une adh sion plus forte que pour les autres halog nes Ainsi pour les analyses effectu es l effet de matrice est diminu par le bombardement I 5 9 Exp riences de soufflage Des exp riences de soufflage de gaz O2 et SFe ont t effectu es sur les matrices semi conductrices pour augmenter la concentration des esp ces r actives et par suite le rendement utile La pression de gaz O et SFe dans la chambre d analyse a t r gl e par une vanne micro fuite Les esp ces r actives sont implant es dans l chantillon pendant le bombardement ionique suite des collisions La variation de la concentration des atomes oxygene respectivement fluor implique une variation de la probabilit dionisation La pression de base dans la chambre d analyse tait 1 310 mbar A cette pression la vanne microfuite
170. tion de la probabilit d ionisation est possible par le bon choix des ions primaires 24 Chapitre 1 La technique SIMS 1 4 1 Choix des ions primaires Th oriquement et experimentalement il a t montr que la g n ration des ions n gatifs est favoris e par un bombardement avec des ions lectropositifs 88 Ainsi le c sium est beaucoup utilis pour l analyse d une matrice en mode secondaire n gatif La Figure 1 10 illustre l influence dun bombardement avec des ions primaires lectropositifs comme le Cs sur la probabilit d ionisation des ions secondaires n gatifs Rendement relatif en ions M Num ro atomique Z Figure 1 10 Rendement relatif en ions secondaires n gatifs pour un bombardement avec des ions primaires Cs 16 5keV et incidence normale Le symbole A signifie qu un chantillon compos a t utilis pour l l ment en question 88 25 Chapitre 1 La technique SIMS Si on veut g n rer des ions secondaires positifs l utilisation d ions primaires lectron gatifs est plus favorable 88 89 L oxygene est un l ment lectron gatif utilis pour des analyses d ions secondaires positifs La Figure 1 11 montre la probabilit d ionisation des ions positifs mesur e avec un bombardement ions primaires O pour diff rents l ments 106 105 104 103 Rendement relatif en ions M 0 10 20 40 30 60 70 80 90 100 Num ro atomique Z Figure 1 11
171. tre 1 La technique SIMS d impact plus lev es s explique par la p n tration plus profonde des ions incidents dans la matrice Dans ce cas l nergie d impact est d pos e dans une couche loin de la surface L nergie d pos e la surface d pend de la densit des atomes de la cible la surface de la section efficace atomique et lectronique 79 et de l angle dincidence des ions primaires En cons quence le rendement de pulv risation change en fonction de l angle d incidence des ions primaires L angle d incidence est mesur par rapport la normale de la surface Le maximum de pulv risation est situ des angles d incidences entre 60 et 80 Figure 1 8 m F Si o0 0 e Si 0 0 Rendement de pulv risation Y 0 1 1 10 100 1000 Energie d impact E keV Figure 1 7 Simulation TRIM du bombardement d un chantillon Si par des ions F et l incidence normale pour des nergies d impacts croissantes 20 Chapitre 1 La technique SIMS m Fe Si E 14 5eV e Si E 14 5eV Rendement de pulv risation Y 0 20 40 60 80 Angle d impact Figure 1 8 Simulation TRIM du bombardement d un chantillon Si par des ions F et avec une nergie d impact de 14 5 keV pour des angles d incidence croissants Les simulations n ont pas tenu compte des collisions in lastiques des ions primaires avec les atomes de la cible Pour des angles pas trop rasants la th orie de Sigmund 57 p
172. ts et mes fr res pour leur soutien au cours de ces longues ann es d tudes Sommaire Jud ee le dn mtem 1 1 Lea tecnnig e SIMS nn uA MM VTUMAE R BAM nds CUM EN EE 5 Ae be Tee Dee m 5 1 2 SIMS Secondary lon Mass Spectrometry sseusse 5 1 2 1 Principes de la technique SIMS onnanonnonnnnnnnnnnnnennnnenonrerenrsrrnrsrrenne 5 1 2 2 Domaines d application de la technique SIMS 6 1 2 3 Les avantages et les inconv nients de la technique SIMS 8 1 2 4 Les diff rents types de spectrometre de masse 9 1 2 5 L instrument Cameca IMS4f 10 1 9 PUlVerSsallongelacDle anne 14 1 3 1 Le bombardement ionique ccc ccc eec eee eeceeeeeseeceeceeeeeeeeseeeaess 14 1 3 2 Param tres de pulv risation ccccc ccc eeceeeeeeseeseeseeseeseeeeeseeeeess 16 1 3 3 Profondeur d origine des particules mises 23 1 4 Formation des ions secondalres eene 24 1 4 1 Choix des ions primaires 25 1 4 2 M canisme de formation des ions secondaires 27 1 4 3 Mod le effet tunnel lectronique onnennnnennnnennererrrnsrrerrnrerrn 27 1 4 4 Mod le de rupture de ason 30 1 10 Rendenientl ul 32 1 5 1 Relation entre le signal d tect le rendement de pulv risation Y et la probabilit d ionisation B A 32 1 5 2 O
173. ts ioniques F Cl Br et I Suite des concentrations faibles la surface des semi conducteurs ces surfaces restent plus ou moins vierges pendant les bombardements halog nes Ainsi le processus d ionisation d crit par le modele a effet tunnel lectronique reste valable sous bombardements CI Br et I La concentration Cl Br et la surface Al et Ta tant inf rieure celle du fluor une saturation de ces surfaces n est pas atteinte Une d localisation des lectrons la surface est possible et ainsi le processus d ionisation peut tre 124 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement CO F Cl Br et I explique par le modele a effet tunnel electronique tout en accord avec les resultats des rendements utiles Dans le cas du nickel du cuivre et de l argent il faut consid rer l aspect de la faible concentration superficielle des halog nes en m me temps que la formation des liaisons fortes entre les halog nes et les l ments de la matrice correspondante pour d crire le processus d ionisation correctement Si le processus d ionisation est d crit par le modele de rupture de liaison suite des liaisons fortes il faut consid rer le potentiel d ionisation des atomes de la matrice et l affinit lectronique des ions incidents Comme l affinit lectronique des halog nes diminue du fluor l iode la probabilit d ionisation diminue dans le m me ordre Ainsi le transfert de charges pendant
174. ue 58 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions courbe de calibration valeurs mesur es WIR 2 bobine U 0 20 40 60 80 100 120 140 masse atomique amu Figure 3 2 Calibrage du filtre de masse PBMF La courbe noire est la courbe de calibrage calcul e a partir du champ magn tique correspondant la masse 160 Les points rouges correspondent diff rents points exp rimentaux La mesure directe de l intensit du champ magn tique du PBMF est inaccessible La tension appliqu e aux bobines est prise comme r f rence Celle ci est directement proportionnelle l intensit du champ magn tique L erreur de mesure des diff rentes valeurs provient de l impr cision de mesure de la tension appliqu e aux bobines et de l alignement du faisceau travers le banc test qui varie un peu d un jour l autre Une erreur de mesure plus grande que 5 par rapport a la courbe de calibration n a jamais ete constat e La r solution en masse du PBMF est seulement M AM 150 135 ce qui rend possible des interf rences en masse La dispersion en nergie des ions venant de la source est de l ordre de grandeur de quelques eV ce qui r sulte en une faible dispersion spatiale du faisceau par le PBMF Une lentille Einzel 136 137 est situ e derri re le PBMF L objectif de cette lentille est de focaliser le faisceau dans le plan de mesure Pour
175. ue Cet effet est clairement visible en comparant la pulv risation induite par le bombardement Xe M 131 u et SF5 M 127 u qui ont presque la m me masse 69 7 1 R cemment plusieurs tudes ont t faites sur le bombardement avec des clusters Au n 1 2 3 4 et Ceo 72 73 74 dans le cadre de l analyse du rendement de pulv risation Un point critique du bombardement des clusters sont les effets non lin aires 75 77 Comme indiqu d j pour le bombardement clusters ioniques l nergie d impact des ions incidents est un facteur important pour la description de la pulv risation Une nergie d impact minimale Emin qui d pend de l nergie de liaison de surface U de l angle d incidence 8 et du rapport R de la masse des atomes incidents et de la cible est n cessaire pour la pulv risation En incidence normale cette nergie d impact minimale est de l ordre de quelques 10 eV 28 En dessous de l nergie minimale les ions incidents sont plut t d pos s la surface Au dessus de l nergie minimale le rendement de pulv risation augmente exponentiellement jusqu une nergie d impact de 1 keV Au del de 1 keV le rendement de pulv risation augmente lin airement avant d atteindre un maximum 5 100 keV 78 L nergie correspondante au maximum du rendement de pulv risation d pend de la masse des ions incidents Figure 1 7 La d croissance du rendement de pulv risation pour des nergies 19 Chapi
176. uer des analyses SIMS Le banc test a t construit pour mesurer les propri t s physiques notamment la brillance de la source La mesure du courant et du diametre des faisceaux O F Cl Br et I est effectu e en fonction de la pression de gaz le courant d arc et le champ magn tique dans la source Le principe de fonctionnement du banc test est montr dans Figure 3 1 Le pompage a t r alis par deux pompes turbomol culaires qui ont t connect es une pompe primaire huile Ainsi une pression de base de 710 mbar a t obtenue 99 Chapitre 3 Banc test utilis pour d terminer les propri t s du duoplasmatron et des faisceaux ions Galette micro canaux pression Diaphragme A 8 150um Lentille PBMF lectrostatique SS a x ul D 1 Cage de Faraday Lame de rasoir Duoplasmatron mmm BAY j E bh 1 TX gt 3 w 2 ay i rj L3 a d La I 3 LE d 3 ms SE KH i f es 4 f gt Figure 3 1 Banc test avec la trajectoire du faisceau 3 1 Ajustage de la source Le choix des bons parametres comme le courant d arc le champ magn tique et la pression dans la source est indispensable pour optimiser la brillance des diff rents faisceaux ions Les ions sont g n r s par une d charge lectrique plasma entre l anode et la cathode dans le duoplasmatron dont la description d taill e se trouve dans le chapitre 2 La
177. ules de Maxwell ce qui est le cas pour la plupart des plasmas partir de la temp rature du plasma les vitesses moyennes thermiques des lectrons ve est des ions v se calculent selon 104 Ve 767 JT Icm us 2 4 vi 21 57 t Icom us il A est la masse atomique en unite atomique les temp ratures T et T sont exprimees en eV La vitesse des electrons est beaucoup plus lev e que la vitesse des ions ce qui provoque dans certains cas une separation de la charge dans le plasma 2 2 3 Distance d ecrantage La distance d crantage est d finie par la distance pour laquelle les ions dans le plasma sont encore influenc s par le champ lectrique de la charge d un 39 Chapitre 2 Le duoplasmatron ion test Au del de la distance d crantage le champ lectrique de l ion test est blind par le champ lectrique des ions autour La distance d crantage du champ lectrique d pend de la densit ne et de la temp rature T des electrons dans le plasma La distance d crantage est d finie par la longueur de Debye Ap 104 105 KT en e i 2 5 La temperature et donc la vitesse des electrons sont plus elevees que celles des ions Ceci implique que les electrons quittent le plasma plus vite que les ions Il en r sulte une interface de charges n gatives autour du plasma Un potentiel positif est form au milieu du plasma par rapport l extr mit du plasma Le blindage du plasma lui m me la
178. um Methods in Phys Res B 2010 N Inoue T Higashino K Tanahashi Y Kawamura J of Crys Growth 227 228 2001 123 T E Fischer Physical Review 142 1966 519 B Ghosh Microelectron Eng 86 2009 2187 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 Bibliographie D R Lide Editor in Chief CRC Handbook of chemistry and physics 75th edition 1995 chap 12 113 P A W van der Heide Nucl Instrum Methods in Phys Res B 229 2005 35 D Haneman Journal of Phys Chem Solids 11 1959 205 G Gobeli F Allen Surf Sci 2 1964 402 H Kawano T Takahashi Y Tagashira H Mine M Moriyama Appl Surf Sci 146 1999 105 P A W van der Heide Appl Surf Sci 231 232 2004 97 o Sadewasser T Glatzel M Rusu A Jager Waldau M C Lux Steiner Appl Phys Lett AIP 80 2002 2979 S Sarkar P Chakraborty Nucl Instrum Methods in Phys Res B 232 2005 153 I M Vitomirov A Raisanen A C Finnefrock R E Viturro L J Brillson P D Kirchner G D Pettit and J M Woodall Phys Rev B 46 1992 13293 L Pillatsch T Wirtz H N Migeon H Scherrer Publication soumise SIMS using O F Cl Br and F primary ion bombardment sputtering yields and concentration of implanted primary species Nucl Instrum Methods in Phys Res B 2010 J W Bartha J Greschner M Puech P Maquin Microel
179. um ont t mesur es sous bombardement O 3 910 respectivement E 2 7 10 La valeur minimale de 110 a t mesur e sous bombardement I Un rendement utile du phosphore de 1 310 a t mesur sous bombardement O E et Cl Sous bombardement Br 5 910 et T 6 2 10 il tait l g rement inf rieur Des diff rences plus lev es ont t mesur es pour le Ge Tandis que des rendements utiles presque identiques de 4 410 et 3 410 ont t mesur s sous bombardement O respectivement F ceux ci diminuent jusqu une valeur de 9 610 et 4 5 10 sous bombardement Cf et Br pour atteindre finalement un minimum de 2 610 sous bombardement Une faible 116 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I diff rence entre le rendement utile obtenu par bombardement O respectivement F2 et CF3 a aussi t trouv e dans la litt rature 188 190 Rendement utile UY 0 Ga u gt M 1 i ww gt EPA de lons primaires e e E A Si Cu Ta e u Ge d AS 44 g P d MEN A Ag A a 3 4 5 6 Diff rence entre le potentiel d ionisation et le travail de sortie I eV 10 10 10 Rendement utile UY 2 4 2 6 2 8 lons primaires m O e F Cl Br A Si DW Cu Ta e m Ag Ge neo 5 E 1 3 4 a amp A b 3 0 9 2 3 4 3 6 Diff rence entre le potentiel d ionisation et le travail de sortie
180. uor pour les diff rentes matrices semi conductrices et pour l argent mesures par spectroscopie Auger et d termination par le modele de r tention basique de l quation 5 4 en utilisant le rendement de pulv risation Y mesur exp rimentalement Concentration en oxyg ne Co 96 Concentration en fluor Cp Mod le de r tention Modele de r tention bas sur Y bas sur Y exp rimental exp rimental 5 6 3 Comparaison et discussion En ce qui concerne les chantillons semi conducteurs un bon accord entre la concentration oxyg ne d termin e par AES et par le mod le de r tention de l quation 5 4 a t trouv pour les chantillons InP et Si Par contre une grande diff rence de la concentration du fluor d termin e par AES et par l quation 5 4 a t mesur e pour les matrices semi conductrices consid r es Un processus de d capage chimique de la surface des semi 114 Chapitre 5 Analyses SIMS effectu es sous bombardement O F Cl Br et I conducteurs par le faisceau F est suppose contribuer aux effets purement balistiques de la pulv risation Des especes volatiles sont form es 185 Suite a ces effets de d capage les ions primaires ne sont pas tous implantes dans la surface de l chantillon contrairement ce qui est Suppose par le modele de r tention En ce qui concerne l argent la concentration du fluor et de l oxyg ne mesur e par AES est largement inf rieure la concentration calcul e
181. ures Table des Figures Figure 1 1 Analyse isotopique dune cellule de souris r alis e par le NanoSIMS 50 Distribution de l l ment P a de l l ment I b et la superposition des deux images c 25 Des accumulations d iode dans la cellule thyro de sont indiqu es par des fl ches T Figure 1 2 a Image de l instrument Cameca IMS4f b Alignement optique du faisceau primaire et du faisceau secondaire travers le SIMS Gameca IMOAT 40 sans denen 10 Figure 1 3 Trajectoire du faisceau a travers les lentilles L4 L gt et Ls et les diaphragmes D et D2 de la colonne primaire du SIMS IMS4f 11 Figure 1 4 Trajectoire des ions secondaires a travers le spectrometre de Masse SAR rs ma ana ana nana 13 Figure 1 5 Simulation TRIM d une cascade de collisions dans une matrice de Si produite par un impact d ion F d une nergie de 14 5 keV et avec un angle incident de 25 par rapport la normale de la surface La trajectoire de l ion primaire F est marqu e par les points rouges tandis que les points verts d crivent les collisions SOCODUIBI EOS va cadit EE 16 Figure 1 6 Evolution de la fonction en fonction du rapport des masses MIN I EPP 18 Figure 1 7 Simulation TRIM du bombardement d un chantillon Si par des ions F et incidence normale pour des nergies d impacts COIS S AE 20 Figure 1 8 Simulation TRIM du bombardement d un chantillon Si par des ions F et avec une nergie d impact
182. valeur id ale trouv e par des exp riences est L2 2D 124 La distance L4 entre la cathode et l lectrode interm diaire peut varier entre 5D et 10D sans affecter l extraction du courant d ions Si L4 est trop petit l interface de constriction ne sera pas form e et si est trop grand il est difficile de g n rer un arc La valeur optimale pour cette distance est gale au libre parcours d ionisation du gaz 104 108 La longueur L3 de la colonne de l anode est d termin e par la distance entre l lectrode interm diaire et l anode Ce parametre influence le potentiel axial le long de la d charge et le point de transition entre le mode normal et le mode appauvri Si l4 B et P sont constants le potentiel de l lectrode interm diaire devient plus n gatif si la distance L3 est r duite Une augmentation du maximum de courant d arc lay ainsi qu une augmentation de l intensit du faisceau ions pour un arc en mode normal ont t observ es c f 2 4 3 124 2 4 5 Influence de la masse des atomes du gaz sur le courant a ions La relation entre le courant maximal d ions positifs l M et la masse des ions M est donn e par 108 51 Chapitre 2 Le duoplasmatron au p B 2 16 Lu M M lam est le courant de la colonne de l anode correspondant au maximum du courant ions Lu P est la pression B est le champ magn tique Figure 2 4 Cette relation est valable pour des ions atomiques charge p
183. xyg ne extrait tait 10 100 fois plus faible Suite des masses identiques des ions Cl et FO g n r s dans le plasma O CHCIF 2 et suite la r solution en masse insuffisante du PBMF pour s parer des masses si proches des interf rences entre ces deux masses en r sultent En mesurant le rapport isotopique I CI ICI qui d viait de moins de 10 de la valeur th orique nous avons pu conclure que la contribution des ions FO est faible dans le faisceau Cl et qu elle n a pas d influence sur les mesures 4 2 7 Stabilit des faisceaux ions Une concentration trop lev e du gaz halog nure dans le plasma ou une contamination trop importante du duoplasmatron sont l origine de variations de plus de 1096 de l intensit pendant la premi re minute Une r duction de la concentration de gaz halog nure permet d emp cher ces instabilit s D autres instabilit s se font remarquer apr s des temps plus longs seulement Ces instabilit s ont t observ es surtout pour Br L origine de ces instabilit s n est pas claire mais il est suppos que le flux des gaz halog nures n tait pas stable au d but des mesures Apr s environ une heure de travail le faisceau ions s est stabilis 72 Chapitre 4 Formation et caract risation des faisceaux a ions primaires O F Cl Br et I 4 3 Procedure experimentale 4 3 1 Determination de la brillance maximale Les trois parametres d ajustage menant a la brilla

génération par duoplasmatron et étude du potentiel

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