Étude de la pulvérisation et de l'émission de la matière sous bombardement Cs+, Study of sputtering and emission of matter under Cs+ bombardment

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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
Par
Christophe VERDEIL

Étude de la pulvérisation et de
l'émission de la matière sous
+
bombardement Cs

Thèse dirigée par:
Prof. Hubert SCHERRER
Prof. Henri-Noël MIGEON

Soutenue publiquement le 30 octobre 2008

Membres du jury:

Rapporteurs: Prof. Patrick BERTRAND
Prof. Laurent HOUSSIAU
Président du jury : Prof. Susanne SIEBENTRITT
Autres membres du jury: Prof. Hubert SCHERRER
Prof. Henri-Noël MIGEON
Dr. Tom WIRTZ
Invités: Prof. Stanislas SCHERRER

Prof. Pierre SECKREMERCIEMENTS
Ce travail a été effectué au département “Sciences et Analyse des Matériaux” du Centre de
Recherche Public Gabriel Lippmann dirigé par le Professeur Henri-Noël Migeon, à qui j’exprime
toute ma reconnaissance pour m’avoir proposé ce sujet de recherche et donné l’opportunité d’ac-
quérir de nombreuses compétences scientifiques en permettant l’accès aux instruments du labo-
ratoire.
Je remercie également Hubert Scherrer, Professeur à l’École des Mines de Nancy, pour avoir
dirigé et encadré ma thèse ainsi que pour son professionnalisme durant ces trois années.
Je voudrais remercier Messieurs Patrick Bertrand, Professeur à l’Université Catholique de
Louvain-La-Neuve et Laurent Houssiau, Professeur à l’Université de Namur, pour avoir accepté
d’être rapporteur et avoir examiné avec beaucoup de soin mon manuscrit.
Toute ma gratitude également à Madame Suzanne Siebentritt, Professeur à l’Université du
Luxembourg, pour avoir accepté de présider le jury de thèse.
Merci à Messieurs Stanislas Scherrer et Pierre Seck d’avoir accepté d’être membre de mon
jury.
Toute ma sincère gratitude à Tom Wirtz, le responsable de l’équipe d’Instrumentation Scien-
tifique qui m’aura été indispensable à cette thèse par ses conseils, son soutien et son profession-
nalisme. Je lui souhaite beaucoup de bonheur pour la suite aussi bien professionnellement et
personnellement.
J’exprime toute mon amitié à ceux qui ont partagé mon bureau :
– beaucoup de bonheur à Audrey pour avoir animé avec joie le bureau au cours de cette
dernière année,
– muchas gracias et bonne continuation à Catina,
– un grand merci à ”Monsieur Rachid”, grand ingénieur du SAM, sans qui mes expériences
auraient été moins réussies ainsi que ma thèse et mes présentations moins bien illustrées,
– merci à Patrick pour ses précieux conseils durant ces trois ans et pour m’avoir supporté
pendant trois ans.
Je remercie également les ingénieurs, plus particulièrement Esther et Samya, pour leur pré-
sence au cours de mes journées “prolongées”.
Mes remerciements vont également à Nathalie, Jean-Nicolas, Jérôme, Thierry, Gilles et Yves
pour leurs présences, leurs conseils et leurs soutiens pendant toute la thèse.
iUn grand ***** (mets-y ce que tu veux) à Arnaud qui a été malheureusement indispensable
plus d’une fois et qui a su malgré tout être là quand il le fallait.
Toute ma gratitude à l’équipe de Traitement de Surface :
– merci à David pour ses discutions utiles (ou pas) et bonne continuation pour la suite.
– merci à Virginie, Marilyne, Mayerling, Nicolas et Patrick.
Je remercie également et je souhaite bon courage à tous les thésards qui me suivront plus ou
moins rapidement : Cédric, Rémy, Hubert, Laurent, Juliano, Fang, Fouad, Lex, Noria et Beatrix.
Merci également à ceux du labo qui ont été là au cours de la thèse et qui n’ont pu être présent
à la fin : Sylvie, Fred, Jérôme, Jean-Luc, Raphaël, Mohamed, Paul et Patrick.
Merci au personnel administratif, et plus particulièrement Michèle Bartucci, pour leur aide.
Merci également au Ministère de la Culture, de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche
du Luxembourg pour leur soutien financier.
Je remercie mes parents ainsi que mon frère, pour leurs soutiens au cours de ces longues
études. Enfin et surtout je remercie celle qui a été présente tous les jours et à qui je dédicace cette
thèse : Karine.
Merci à tous.
iiTABLE DES MATIÈRES
Introduction 1
I Contexte : Les techniques SIMS et Storing Matter 3
I.1 Description générale de la technique SIMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Présentation de la . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 La quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 La sensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.2 Le projet Storing Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Le principe de la technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 La phase de pulvérisation-collection de la matière . . . . . . . . . . . . . 8
I.3 L’importance de la connaissance du processus de la pulvérisation et de l’émission
de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
II Les mécanismes de l’émission de la matière 13
II.1 L’interaction ion-matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1 Les collisions élastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Pouvoir d’arrêt d’un ion dans la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Le pouvoir d’arrêt nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Les collisions inélastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
II.2 Les processus de la pulvérisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1 Description du phénomène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Les régimes de collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Le rendement de pulvérisation Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Les effets du bombardement sur la cible . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
II.3 Les paramètres de l’émission de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1 La matière émise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 La profondeur d’origine des atomes émis . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 La distribution angulaire dans la littérature . . . . . . . . . . . . . . . . 42
II.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
III Le dispositif expérimental de l’étude de la distribution angulaire 51
III.1 Les techniques d’étude de la distribution angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
III.2 L’instrument CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
III.3 Le collecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
iiiTABLEDESMATIÈRES
3.1 Le porte collecteur cylindrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Le collecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
III.4 Les cibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
III.5 La pulvérisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1 Le positionnement du dispositif et du cratère . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 Gestion de la quantité de matière pulvérisée . . . . . . . . . . . . . . . . 60
III.6 Détermination de la distribution angulaire par analyse SIMS . . . . . . . . . . . 61
6.1 Détermination de l’épaisseur relative par un profil en profondeur . . . . . 61
6.2 Déduction de la distribution a