Bombardement ionique O‾, F‾, Br‾ et l‾ en SIMS : génération par duoplasmatron et étude du potentiel analytique, Ionic O‾, F‾, Cl‾, Br‾ and I‾ bombardment in SIMS : generation via duoplasmatron and study of the analytical potential

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THESE

présentée à

L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Ecole doctorale Energie, Mécanique, Matériaux

pour obtenir le grade de

Docteur de l’INPL

Spécialité : Science et Ingénierie des Matériaux et Métallurgie

par

Lex Pillatsch


- - - - -Bombardement ionique O , F , Cl , Br et I en SIMS :
génération par duoplasmatron et étude du potentiel
analytique

Soutenue publiquement le 28 octobre 2010





Directeur de thèse : Prof. Hubert Scherrer (Ecole des Mines de Nancy)
Co-directeur de thèse : Dr. Tom Wirtz (CRP-Gabriel Lippmann)

Membres du Jury :

Président du Jury: Prof. Henri-Noël MIGEON (CRP-Gabriel Lippmann)
Rapporteurs : Prof. Günter BORCHARDT (TU Clausthal-Zellerfeld)
Prof. Camille RIPOLL (Faculté des Sciences de Rouen)
Examinateurs : Prof. Hubert SCHERRER (Ecole des Mines de Nancy)
Prof. Pierre SECK (Université du Luxembourg)
Dr. Tom WIRTZ (CRP-Gabriel Lippmann)
Membres invités : Prof. Stanislas SCHERRER (Ecole des Mines de Nancy)

Remerciements

Arrivé à la fin de ma thèse, je désire exprimer mes remerciements à tous ceux
qui m'ont aidé et soutenu pendant ces longues années.

En premier lieu, je voudrais exprimer ma sincère gratitude à M. Tom Wirtz, qui
m'a proposé ce sujet très intéressant et qui m'a toujours conseillé
efficacement pendant mon travail.

Je tiens également à remercier M. Henri-Noël Migeon, directeur du
département "Sciences et Analyse des Matériaux" (SAM), de m'avoir reçu
dans son équipe.

Un grand merci à M. Hubert Scherrer, professeur à l'École des Mines de
Nancy, pour avoir dirigé et encadré ma thèse.

Mes remerciements s'adressent en plus à Messieurs les professeurs Camille
Ripoll, de la Faculté des Sciences de Rouen et Günter Borchardt, de la TU
Clausthal-Zellerfeld pour avoir accepté d'être rapporteurs de ce mémoire.

Merci à Messieurs Stanislas Scherrer et Pierre Seck d'avoir accepté d'être
membres de ce jury de thèse.

J'exprime toute mon amitié aux membres de l'équipe d'Instrumentation
Scientifique:
- Merci à Yves, David et Oleksiy pour les discussions utiles lors des
pauses café.
- Merci également à Catalina pour son soutien scientifique et moral dans
le labo.
- Mes remerciements s'adressent aussi à Patrick pour ses précieux
conseils et à Beatrix, Nora, Quyen, Ludovic, Peter, Andrei et Antoine
pour leur bonne humeur durant ces années de travail.
- Que Rachid et Mathieu soient remerciés pour leurs avis et leurs
bricolages.
- Merci également aux membres de l'équipe qui m'ont accompagné
temporairement au cours de ma thèse: Audrey, Fréderic et Christophe.

Je voudrais aussi remercier Nathalie, Jean-Nicolas et Gilles pour leur aide et
leurs conseils tout au long de cette thèse.

Je tiens aussi à remercier l'équipe des techniciens, spécialement Arnaud,
Alain et Samir, qui m'ont assisté (plusieurs fois) à réparer les instruments.

Merci également à l'équipe de Traitement de surface:
- à David pour ses discussions intéressantes
- à Nicolas, Juliano et Remy pour leur soutien

Merci aussi à l'équipe Auger, notamment Jérôme, Sébastien et Joffrey pour
leur appui pendant les mesures Auger.

Merci au personnel administratif pour leur présence et leur collaboration
pendant mon travail.

Merci également au Ministère de la Culture, de l'Enseignement Supérieur et
de la Recherche du Luxembourg et au Fonds National de la Recherche,
Service AFR pour leur soutien financier.

Finalement je tiens à remercier mes parents et mes frères, pour leur soutien
au cours de ces longues années d'études

Sommaire

Introduction....................................................................................................1
1. La technique SIMS .....................................................................................5
1.1. Introduction............................................................................................5
1.2. SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) ...........................................5
1.2.1. Principes de la technique SIMS ......................................................5
1.2.2. Domaines d’application de la technique SIMS................................6
1.2.3. Les avantages et les inconvénients de la technique SIMS .............8
1.2.4. Les différents types de spectromètre de masse .............................9
1.2.5. L’instrument Cameca IMS4f..........................................................10
1.3. Pulvérisation de la cible.......................................................................14
1.3.1. Le bombardement ionique ............................................................14
1.3.2. Paramètres de pulvérisation .........................................................16
1.3.3. Profondeur d’origine des particules émises ..................................23
1.4. Formation des ions secondaires..........................................................24
1.4.1. Choix des ions primaires...............................................................25
1.4.2. Mécanisme de formation des ions secondaires ............................27
1.4.3. Modèle à effet tunnel électronique................................................27
1.4.4. Modèle de rupture de liaison.........................................................30
1.5. Rendement utile ..................................................................................32
1.5.1. Relation entre le signal détecté, le rendement de pulvérisation Y et
±la probabilité d’ionisation β ....................................................................32
1.5.2. Optimisation de la probabilité d’ionisation.....................................33
1.5.3. Effet des ions primaires implantés ................................................33
1.5.4. Optimisation de la probabilité d’ionisation par soufflage ...............34
2. Le duoplasmatron....................................................................................37
2.1. Introduction..........................................................................................37
2.2. Le plasma............................................................................................37
2.2.1. Le taux d’ionisation du plasma......................................................38
2.2.2. La température du plasma............................................................39
2.2.3. Distance d’écrantage ....................................................................39
2.2.4. Collisions des particules dans le plasma ......................................40
2.2.5. Le champ magnétique ..................................................................41
2.3. Ionisation dans un plasma...................................................................42
2.3.1. Les ions positifs ............................................................................42
2.3.2. Les ions négatifs...........................................................................43
2.4. Le Duoplasmatron ...............................................................................44
2.4.1. Description....................................................................................44
2.4.2. Distribution du potentiel électrostatique dans le duoplasmatron. ..47
2.4.3. Répartition des courants dans le duoplasmatron..........................49
2.4.4. Géométrie de la source.................................................................50
2.4.5. Influence de la masse des atomes du