Les régimes de collisions

Nous pouvons distinguer trois régimes de collisions qui se différencient par la quantité de matière mise en mouvement et son comportement :

– le régime de chocs simples, – le régime de cascades, – le régime de pointes.

Le passage d’un régime à l’autre correspond à la quantité de particules mises en mouvement lors du passage de l’ion primaire dans le solide.

Le premier régime que nous décrirons correspond au cas où l’ion ne met que peu de particules en mouvement. On le rencontre lorsque l’énergie de l’ion primaire est légèrement supérieure à l’énergie de liaison des atomes ou des molécules de la cible, soit entre quelques 50 eV et 1 keV. Bien que ce régime ne soit pas rencontré au cours des travaux de la thèse, nous le décrirons un peu plus en détail dans la suite, car les mécanismes qui le composent seront toujours présents bien que minoritaires. De plus, la technique et le prototype Storing Matter ont prévu la possibilité de fonctionner dans la gamme d’énergie de ce régime.

Le régime de cascades de collisions est celui que nous rencontrerons le plus régulièrement dans la gamme d’énergie utilisée en SIMS (1 à quelques dizaines de keV). Ce régime implique la mise en mouvement d’une quantité importante d’atomes de la cible sur une région proche de l’impact avec l’ion primaire. La pulvérisation est alors sensible à la cible mais également à la nature et aux paramètres de l’ion primaire.

Le troisième régime, dit de pointes, correspond à la situation où les atomes de la matière sont majoritairement mis en mouvement par des collisions avec d’autres atomes de la cible. Alors les collisions se font principalement entre atomes mobiles et nous ne pourrons donc pas décrire les mécanismes de pulvérisation à partir du modèle de collisions binaires élastiques. La pulvérisation se fait par un mécanisme similaire à l’agitation thermique d’un gaz sur un volume de particules mises en mouvement à une température dite de pointes qui dépendra principalement de l’énergie d’impact [16]. Ce régime correspond en pratique au cas où l’ion primaire a une énergie très importante (supérieure à 100keV). Dans cette condition, l’information de l’ion primaire n’est plus du tout conservée.

2.2.1 Le régime de chocs simples

Lorsque l’énergie d’impact de l’ion est faible, il ne mettra en mouvement que peu d’atomes de la cible et sera lui-même stoppé rapidement dans la cible. Il est appelé régime de collisions simples car la pulvérisation ne résulte alors que des séquences spécifiques qui ne feront interve-nir qu’un nombre restreint d’atome. Les interactions se faisant par des collisions élastiques, les dommages dans le matériau et l’émission de la matière dépendront fortement des conditions de bombardement.

pre-FIG. II.5 -Les mécanismes possibles dans le régime de collisions simples [17] : a) l’atome est émis directement par l’impact du projectile sur l’atome,

b) à un ordre supérieur, un atome, mis en mouvement par l’impact du projectile, a expulsé un autre atome hors de la cible,

c) l’ion primaire ou un atome de la cible subit de nombreuses collisions dans le matériau jusqu’à ce qu’il soit rétrodiffusé et qu’il expulse un atome de la surface.

mier mécanisme a) montre un atome de la surface qui est émis directement par l’impact du projectile, l’information du bombardement primaire est alors entièrement conservée. Plus cou-ramment, l’ion est dévié par des diffusions de type Rutherford avant l’impact. Dans ce cas l’in-formation est partiellement perdue. Ce mécanisme est couramment appelé ”Primary Knock-on” et est majoritaire à très basse énergie (quelques centaines d’eV).

Dans le second b) et le troisième cas c), l’atome est émis hors de la cible par l’impact d’un atome qui avait été précédemment mis en mouvement par le projectile. Il est alors appelé ”Se-condary Knock-on”. Dans ce cas, l’information du bombardement primaire ne transparaît qu’à travers des phénomènes globaux de la pulvérisation. Le passage entre les deux mécanismes se fait dans la gamme comprise entre quelques centaines d’eV à 1 keV.

2.2.2 Le régime de cascades

Ce régime sera dominant dans la gamme d’énergie de 1 keV à quelques centaines keV. Il suppose que la plupart des atomes sont mis en mouvement par collision avec le projectile mais

que néanmoins ces atomes puissent avoir assez d’énergie pour entraîner la mise en mouvement d’atomes de reculs secondaires. On parle alors de cascades de collisions (Cf. la figure II.6). Dans ce régime, les collisions entre atomes mis en mouvement sont rares, même entre cascades in-duites par un second projectile.

Dans ce cas, la pulvérisation peut être décrite par une série des collisions élastiques succes-sives qui peuvent être considérées à deux corps et les processus de transport d’énergie présentés précédemment restent valables.

FIG. II.6 -Cascade de collisions produite par un projectile de Cs sur une cible de Si avec une énergie d’impact de 100 keV et une incidence nulle. Les points bleus représentent la trajectoire de l’ion, les points rouges correspondent aux atomes de la cible mis en mouvement

Le régime de cascade linéaire

Ce régime a été décrit théoriquement par P. Sigmund [18]. Comme nous l’avons vu pré-cédemment, la pulvérisation est sensible à de nombreux paramètres. Pour sa théorie, il prend donc le cas particulier où le régime d’équilibre est correctement établi (pas d’interaction entre les atomes mis en mouvement par les cascades) et que les cascades se développent de manière isotrope sous la surface de la cible. Ceci implique que l’angle d’incidence par rapport à la surface soit proche de la normale, que le flux de particules (le nombre d’ions par unité de surface et de temps) soit suffisamment faible pour que les cascades n’interagissent que faiblement entre elles

et enfin que la cible soit amorphe ou du moins que les effets de la cristallinité de la cible soit suffisamment faibles pour être négligés.

Si ces conditions sont réunies, les équations du transfert d’énergies du projectile au matériau peuvent être linéarisées, d’où l’appellation de ”régime de cascade linéaire”.

Pour sa théorie, P. Sigmund considère qu’il faut connaître le comportement de la matière pendant quatre étapes afin de pouvoir estimer la pulvérisation de la cible sous le bombardement ionique :

1. la proportion d’énergie déposée par l’ion ou répartie par les atomes mis en mouvement dans la région proche de la surface,

2. la quantité d’atomes proches de la surface qui sont mis en mouvement à faible énergie (développement de la cascade),

3. la quantité d’atomes qui se dirige vers la surface, 4. la probabilité des atomes de s’extraire de la surface.

La première étape dépend principalement des paramètres de bombardement primaires (l’éner-gie et l’angle d’impact et le rapport des masses entre l’ion et les atomes de la cible) tandis que la seconde et la troisième seront sensibles aux paramètres du matériaux tel que les énergies de liaison des atomes entre eux mais également par rapport à l’angle d’incidence. La dernière étape dépendra particulièrement de l’énergie de liaison de surface mais également de l’état de la sur-face.