La profondeur d’origine des atomes émis

Nous avons vu que la concentration des éléments peut varier en fonction de la profondeur de la cible. De plus, il est connu que la distribution angulaire des particules émises et de leurs énergies dépend de leur profondeur d’origine [58,59].

Bien que la profondeur de pénétration, et donc de la cascade de collisions, soit dans la plupart des cas supérieure à quelques dizaines de nanomètres dans notre gamme d’énergie, les particules émises ne proviennent que de quelques couches atomiques proches de la surface dans la plupart des cas. Ceci s’explique par le fait que l’atome émis doit passer au travers des autres atomes tout en gardant l’énergie suffisante pour s’extraire de la surface. R. Kelly et al. [60] définissent la

profondeur moyenne d’origine tel que : ¯

x= (0.80±0.10)·λ₀ (II.12)

en Å, avecλ₀la distance atomique moyenne pour des cibles élémentaires.

Sur la figure II.15, λ₀ varie fortement d’un élément à l’autre. Nous remarquons que selon la formule II.12, la valeur moyenne de la profondeur varie entre 2 et 4 Å indépendamment de l’énergie d’impact ou de l’angle d’incidence.

FIG. II.15 -Distance atomique moyenne en fonction du nombre atomique [61]

Cette formule semi-empirique semble donner une bonne approximation néanmoins il n’existe que peu de mesures expérimentales de la profondeur d’origine des particules émises. Ceci s’ex-plique par la complexité de marquer les différentes couches afin de connaître l’origine de la particule émise. Pour cela, certains groupes ont utilisé les mécanismes de ségrégation des com-posants dans les alliages [62] ou des isotopes [36, 63] d’un même élément afin de distinguer les particules émises à partir de l’extrême surface. En mesurant la variation de la première couche atomique par rapport à la matière émise, ils déterminent quelle est la proportion d’atomes issus de la première et seconde couche. Ainsi, ils ont mesuré que dans la plupart des cas, ce sont les atomes de la première couche qui sont émis majoritairement.

Néanmoins, la validité de ces expériences est régulièrement remise en question à cause de l’importance de l’erreur de ce type de mesure. La grande partie des études est donc faite à partir d’outils de simulation tels que TRIM.SP [64].

De manière générale, les simulations trouvent des profondeurs d’origine supérieures à celle déterminées expérimentalement. Pour les matériaux denses (principalement des métaux), la plu-part des atomes émis proviennent de la première couche [65]. A l’inverse, il apparaît que pour les matériaux moins denses tels que les semi-conducteurs, la couche pulvérisée préférentiellement n’est plus obligatoirement la première mais variera en fonction des paramètres d’impact [61]. Néanmoins la valeur moyenne reste proche des valeurs théoriques de la formule II.12.

L’influence de l’énergie d’impact

FIG. II.16 -Distribution des atomes de Si pulvérisés par des ions Ar⁺ en fonction de leur profondeur d’origine et de la gamme d’énergie de l’atome émis pour quatre énergies d’impact différentes et à incidence normale par rapport à la surface [61].

La figure II.16 [61] présente la distribution des atomes de Si pulvérisés en fonction de leur profondeur d’origine. Sur la figure a) qui correspond à une énergie d’impact de 100 eV, nous pou-vons observer que la profondeur d’origine des particules ne correspond pas à l’extrême surface et cela quelle que soit l’énergie de l’atome. A cette énergie, la pulvérisation se fait dans le régime de collisions simples (Cf. la partie II.2.2.1). A incidence normale, il ne peut y avoir d’émission directe par le projectile, il faut donc qu’il soit dévié avant la collision ou que l’atome émis le soit

par un autre atome mis en mouvement à proximité de la surface. La probabilité qu’un atome ait simultanément assez d’énergie et la bonne direction sera plus importante lorsqu’il est proche de la surface.

Lorsque l’énergie d’impact augmente sur les figures II.16b-d), le maximum reste en dessous de la surface mais la proportion d’atomes émis de la première couche augmente. Ceci s’explique par l’accroissement du nombre de particules mises en mouvement. Nous remarquons également que l’augmentation de l’énergie d’impact fournit assez d’énergie à certains atomes des couches profondes pour traverser la cible et être émis puisque le rendement n’est pas nul pourx₀= 10 Å.

L’influence de l’angle d’incidence

FIG. II.17 -Profondeur d’origine moyenne en fonction de l’angle d’incidence pour une cible de Si bom-bardée par des ions Ar⁺avec une énergie d’impact de 1 keV [61].

V.I. Shulga et W. Eckstein [61] ont également étudié la profondeur d’origine en fonction de l’angle d’incidence. La figure II.17 montre la profondeur d’origine moyenne des atomes émis en fonction de l’angle d’incidence. Nous pouvons observer, à l’exception des atomes les plus énergétiques, que la profondeur varie peu jusqu’à ce que l’incidence soit supérieure à 60˚. Avant cet angle, la valeur reste approximativement 2 Å soit légèrement en dessous de la surface. Pour les incidences très obliques (> 60˚), la profondeur moyenne tend vers l’extrême surface. Ceci est vrai même à faible énergie puis qu’alors la pulvérisation de l’atome par le projectile est possible dès l’extrême surface.

Les autres paramètres

La nature du projectile :

Pour les ions monochargés, la variation de la profondeur d’origine en fonction des projectiles reste faible. Seule une légère diminution de la profondeur moyenne apparaît lorsque la masse augmente. Elle s’explique par l’augmentation du nombre de particules mises en mouvement à

énergie d’impact et cible identiques. La densité :

Les études numériques [26,65] tendent à montrer que la profondeur d’origine diminue avec l’augmentation de la densité. Ceci s’explique par l’accroissement de la probabilité de collision pour le projectile mais également pour l’atome en mouvement. Le parcours moyen étant plus faible, l’énergie est déposée plus près de la surface et les atomes en mouvement proches de la surface seront favorisés.

La cristallinité :

De même que les ions incidents peuvent être canalisés plus profondément dans la cible, les atomes peuvent parcourir une plus grande distance si leur direction correspond à celle du réseau cristallin. Dans ce cas, la profondeur d’origine augmente. Ce mécanisme ne sera apparemment vrai que dans des matériaux peu denses [65].