CHAPITRE 6 - MÉTHODES DE PRÉPARATION DES SURFACES
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2.
Traitements hors équilibre
2.1. Implantation ionique
L’implantation ionique est u n procédé permettant de modifier la composition
superficielle des matériaux par pénétration d’ions possédant une énergie suffisante. Cette énergie est fournie par accélération dans u n champ électrique.
L’idée est de Shockley (un des inventeurs du transistor), qui, dès 1951, proposa
l’implantation ionique pour le dopage des semi-conducteurs. À partir de 1971, le
procédé fut industrialisé pour la fabrication de circuits intégrés. Proposé dès
1973 pour les applications à la mécanique, il s’y est rapidement révélé prometteur, et fut utilisé avec succès en 1985 pour le traitement des bi~matériaux’~)(~).
2.1.1. Interactions des faisceaux d’ions avec la matière
Les ions possédant une énergie supérieure à quelques centaines d’eV (500 eV à
300 keV) peuvent traverser la surface en provoquant une succession de collisions avec les atomes du matériau.
Sous l’effet de ces collisions, les ions ont une trajectoire en u zigzag s mais à
chaque collision les atomes heurtés peuvent reculer et entrer eux-mêmes en collision avec d’autres atomes ; u n seul ion d’une centaine de keV peut rencontrer
une bonne centaine d’atomes et provoquer, directement ou indirectement, la formation d u n millier de lacunes et d’interstitiels.
Par ailleurs, si le faisceau ionique est suffisamment intense, des atomes
superficiels seront éjectés, c’est le phénomène de pulvérisation (sputtering). Le
taux de pulvérisation, Y p , peut être voisin de 1, c’est-à-dire que pour chaque ion
incident on aura environ u n atome éjecté : on peut l’exprimer plus exactement
par :
k
y p = - F p ( M i , M , , 8 ) S ( E , )
EL
EL
Fp
= énergie de liaison des atomes de la << cible »,
= fonction de pulvérisation dépendant de la masse Mi des ions incidents,
de la masse M, des atomes du matériau cible et de l’angle, 8, entre les
particules incidentes et la normale à la surface (Fp est maximale pour
8 = 60°),
S(E,) = pouvoir d’arrêt du matériau pour les ions incidents d’énergie E,.
( 3 ) ion Implantation Metallurgy, Annual Meeting of the Materials Reserch Society,
Cambridge Mass., November 30, 1979, Proc. AIME (1979), C.M. Preece et J.K. Hirvonen,
Eds. (The Metallurgical Society of AIME, 1979).
(41 Picraux S.T. et Peercy P.S., Ion implantation, Bull. Mater: Res. Soc. XII (2) (1987) 22-29.
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Traitements hors équilibre
2.1. Implantation ionique
L’implantation ionique est u n procédé permettant de modifier la composition
superficielle des matériaux par pénétration d’ions possédant une énergie suffisante. Cette énergie est fournie par accélération dans u n champ électrique.
L’idée est de Shockley (un des inventeurs du transistor), qui, dès 1951, proposa
l’implantation ionique pour le dopage des semi-conducteurs. À partir de 1971, le
procédé fut industrialisé pour la fabrication de circuits intégrés. Proposé dès
1973 pour les applications à la mécanique, il s’y est rapidement révélé prometteur, et fut utilisé avec succès en 1985 pour le traitement des bi~matériaux’~)(~).
2.1.1. Interactions des faisceaux d’ions avec la matière
Les ions possédant une énergie supérieure à quelques centaines d’eV (500 eV à
300 keV) peuvent traverser la surface en provoquant une succession de collisions avec les atomes du matériau.
Sous l’effet de ces collisions, les ions ont une trajectoire en u zigzag s mais à
chaque collision les atomes heurtés peuvent reculer et entrer eux-mêmes en collision avec d’autres atomes ; u n seul ion d’une centaine de keV peut rencontrer
une bonne centaine d’atomes et provoquer, directement ou indirectement, la formation d u n millier de lacunes et d’interstitiels.
Par ailleurs, si le faisceau ionique est suffisamment intense, des atomes
superficiels seront éjectés, c’est le phénomène de pulvérisation (sputtering). Le
taux de pulvérisation, Y p , peut être voisin de 1, c’est-à-dire que pour chaque ion
incident on aura environ u n atome éjecté : on peut l’exprimer plus exactement
par :
k
y p = - F p ( M i , M , , 8 ) S ( E , )
EL
EL
Fp
= énergie de liaison des atomes de la << cible »,
= fonction de pulvérisation dépendant de la masse Mi des ions incidents,
de la masse M, des atomes du matériau cible et de l’angle, 8, entre les
particules incidentes et la normale à la surface (Fp est maximale pour
8 = 60°),
S(E,) = pouvoir d’arrêt du matériau pour les ions incidents d’énergie E,.
( 3 ) ion Implantation Metallurgy, Annual Meeting of the Materials Reserch Society,
Cambridge Mass., November 30, 1979, Proc. AIME (1979), C.M. Preece et J.K. Hirvonen,
Eds. (The Metallurgical Society of AIME, 1979).
(41 Picraux S.T. et Peercy P.S., Ion implantation, Bull. Mater: Res. Soc. XII (2) (1987) 22-29.