AI- CONTACTSMETAL SEMICONDUCTEUR DES ELABORATION CARACTERISATION

ELABORATION ET CARACTERISATION DES

CONTACTS METAL ^- SEMICONDUCTEUR

AI- _Si

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President Promoteur Promoteur Examinateur Examinateur Devant Le JURY

Soutenue ^{Le 1} Juillet 1990 M. C . Universite Constantine Prof. Universite Constantine

C .C. Universite Constantine

M . C. Universite Constantine

M . C. Universite Constantine --.0,,--

Prèsentée PAR:

Abdeslam HAOUAM

INSTITUT DE PHYSIOUE

DEPARTEMENT D'ENERGETIOUE

UNIVERSITE DE CONSTANTINE

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H"Plildl'1ll' (,If J' ;, ^' ,,_, _{_;:}...j_;(.. l,: ;'",,ý.J,..Jjil;

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Mr M. RAMRAM.

Mme. C. KENZAI

Mr. A. ZAMOUCHE

Mr. A. CHARI

Mr, V. GUEORGUIOU

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C ^{HAP ITRE PREMI ER}

1.1 .Notion de contact ýtal-semiconducteur

ý)ans ^ce chapitre, nous rappellerons les points impor- tants concernant la théorie des contacts métal-semiconducteur.

Le couple métal-semiconducteur a fait l'objet de nom- breuses études et depuis une dizaine d'années la théorie sur

le transport des porteurs ^{à la} barrière ýrque ^le pas.

Par contre, les efforts de recherche sont surtout axés sur l'étude physico-chimique de l'interface pour comprendre ^les mécanismes de formation de la barrière. Ceci va permettre l'évo-

lution de ^:

- la théorie de forýtion de la barrière.

- La technologie des diodes Schottky et contacts ohmiques.

Nous ýntionnerons ces études physico-chimiques de ^l' in- terface ýtaJ-semiconducteur et nous examinerons l'influence:

- D'une couche d'oxyde à la surface du semiconducteur.

- De l'interdiffusion métal-silicium.

Sur les contacts Al-Si (n) et Al-Si (p) qui ont été Je

support de notre étude, nous ferons une synthèse de s moyens ^te- chnologiques mis en auvre pour les réaliser, et des résultats obtenus.

Nous détaillerons par la suite les résultats publiés sur les recuits appliqués ^au contact métal-semiconducteur avant ^le dépot ^et après pour alliage ^des contacts.

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Dia _{ý r}arrme idé.:i I Je s b ý nde ⁵ ç' _ér..;^" _ý ^ý c ..' u.. =or: tac ^t

Métal-semiconducteur Cn)

Diaprés la théorie de Schottky. ýýtt.

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(a) avant et (b) après le contact.

':n :ait, cette situation ⁱ d ^é a ^le n'ý5t _l ^' _-::.iý _a t t e L: ^.

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J[- orýtion de la barrière

ý: travail de sortie du métal.

5: affinité électronique du semiconducteur:

(Jbn ⁼ 0n - X ^ý

Quand ^on met en contact un métal et ^{un s}Snl conduc ^t eu,: _,

i J se crée une discontiýuité de potentiel en su;face. La hauýýýr dcb'a r r i ère con sécu t ive dûe à I a ^{ln i 5} e er. con tac! est ^{cj 0} nr.éepa ^r

l'apression

...

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La hauteur de barriýre ne dépcnd que des propriétý:

.,--::.-l.ls"sques des deux materiaux mis en contact.

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i) L'éxistence d'une couche d'oxyde (JO ^à 20 ^A d'é- paisseur) à l'interface ýtal-semi-conducteur. _1201.

ii) La présence d'états de surface proposés ^par Bardeen

1201 pýurýxpliquer les écarts éxistants entre la hauteur de barriýre

et la différence des travaux de sortie.

Ces états de surface peuvent prévenir deJ queues ^{de la} distribution 'Jectronique ^du ýtal dans le semiconducteur, des im- puretés superficielles ou de la distorsion du réseau cristallin en surfâce.

iii) La présence possible de niveaux de pièges profonds à ^J' interdiffusion métal-semiconducteur intervenant lors des recuits effectués pour auýnter l'adhesion du métal et pour former ^le con-

tact, ou encore provenant du matériau Iui-mêý _1'21.

1.1.2. Contact réal. Rôle des états de surface

Le premier modèle tenant canpte d'une couche d'oxyde ^in- terýdjajre a été donné par ^J. Bardeen 1201 qui ^a en même temps mis en évidence J'importance d'états de surface localisés, distribués

en énergie dans ^la bande interdite.

I 3

Lorsque ces états sont en densité importante (Os> ¹⁰ atomes par am') ^iJs peuvent fixer ^la position du niveau de Fermi et par ^là même, ^la hauteur de barrière.

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I I I I

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. Pigure 1.2. Diagrarrme des bandes d'énergie d'un Contact

t.G (n)'réeJ.

L'expression de la hauteur de barriýre est alors:

... = l' ^(. ftn- ')( .) ⁺ (1 ^- _{ý ) (} El ^- _. ⁰ ).

avec -t ^{= ýi} I (ýi ⁺ _q 'D. ⁾

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I I I

- 8 -

Où _ý est le niveau caractéristique des états de surface

( quand la surface est éléctriqueýnt neutre, ils sont occupés jusqu'à ce niveau)

éi et' sont respectivement la constante diélectrique et l'é- paisseur de l'oxyde.

Ds:Ja densité d'états de surface.

La dépendance linéaire de ýn avec ý n'est plus véri- fiée. une étude systématique du rôle joué par les états d'interface (position énergétique densité, profondeur de pénétration) fait appa- vaitre les résultats suivants 161.

i) Pour un semiconducteur de type donné, ^un ancrage ^{du ni-} veau de Fermi en fonction du travail de sortie du métal peut être obtenu aussi bien avec un état accepteur qu'avec un état donneur.

Si la densité d'état est suffisante, ^la barrière de sur- face prend une valeur telle que ^le niveau de Fermi vient se placer en surface au niveau de l'état.

ii) la densité et la profondeur de pénétration de l'état jouent un rôle similaire dans la définition quantilative ^{des con-} ditions d'ancrage du niveau de Fermi.

1.1.3. Fonmation et structure de l'interface

lorsqu'on dépose ^le métal, ^les propriétés de la surface de départ, puis de l'interface en cours de forýtion évoluent jus- qu'à ce que J'interface puisse être considérée comme stable.141.

Cette évolution se fait en plusieurs étapes:

I I I

I

I

I

I

a) Phase diJuêe Durant cette phase ^la quantitý dý nýtal ^cs'

fa ⁱb ^Je pou ^r don ne run film ^ITIý tal ^{J i} _Cl^lJ e ^COll tin u à ¹a sur ^f ace (re^{COli -}

vrement inférieur ^à une dýi monocouche).

les caractéristiques dýpendent de l'interaction directe ^en- tre atoýs et sites de surface au travers des données therrnodyný,- ques ⁽ chaleur de condensation du ýtaJ, de cohésion du sIc) et d'autres paraýtres (vjte"ý de dépôt, TO .."" ).

C'est une phase importante, car elle induit déja l'ancrage du niveau de Fermi.

b) Fonmation de la première monocouche

la quantité du métal déposé reste encore insuffisante ^P'li' que le dépot présente des propriétés métalliques.

les propriétés de l'interface sont liées ^{i la} structure de la couche métallique et des traitements thermiques éventuels.

les effets de diffusion, d'électromigration sont importants durant'cette phase.

c) Formation de J'interface

Les dépots qui suivent contribuent ^{à la} fýrý3tion de l'in- terface J'évolution des contraintes dûes au désaccord ^du réseau fait que l'interface n'atteint une configuration quasi stable que lorsque le dépot atteint plusieurs monocouches.

Cette stabilité peut évoluer ^à cause de la diffusion ^lent.

à température ambiante ou accélérée par traitements thermiques.

D'autres modèles élaborés receýnt ont été proposés par beaucoup de chercheurs, on ne fera que rappel ^{1er les} résultats.

__ _ý" Mo-

____ _"" ýdèle de Schottky.

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si Ds -_ "" ⁰

- I I -

Si le modèle des défauts est supporté par des résultats eý-

périmentaux, il existe en fait une serie importante de contre exem- ples qui font que sa représentativité à fort recouvrement ýis aussI à faible recouvrement est contestée en particulier parceque.

- Pour un certain nombre de ýtaux, ^la barrière n'est pas éta- blie lorsque ^le dépot est inférieur ^à la monocouche.

Si Os ^,'est suffisement élevée pour que qJýOs»f,

dèle de Bardeen et une barrière independante du métal.

- La croissance du film et l'apparition de ses propriétés ^mé- talliques se traduit par une possibilité de forýtion d'écran susce- ptible de modifier la répartition des charges entre Je sIc et les états d'interface.

- Les barrières dans Jes diodes sont netterr.ýnt modifiées par des réactions chimiques ^à l'interface.

1.3. MOdèles récents

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I

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D'autres modèles élaborés receýnt ont été proposés par beaucoup de chercheurs, on ne fera que rappel ^1er les résultats.

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__ _"" Modèle de Schottky.

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si Ds -_.ý ⁰

- Pour un certain nombre de ýtaux, ^la barrière n'est pas éta- blie lorsque ^le dépot est inférieur ^à la monocouche.

Si le modèle des défauts est supporté par des résultats eý-

p érimentau x, i 1 ex ⁱ ste e n ^fait une serie imp^{0 r} tan ted e con ^{t r} e e x ern-

pIes qui font que sa représentativité ^à fort recouvrement ýis aussI à faible recouvrement est contestée en particulier parceque.

- Les barrières dans les diodes sont netteýýnt modifiées par des réactions chimiques ^à l'interface.

- La croissance du film et l'apparition de ses propriétés ^mé- talliques se traduit par une possibilité de formation d'écran susce- ptible de modifier la répartition des charges entre le sic et les états d'interface.

Si Ds ^,'est suffisement élevée pour que q2SDs» 6

dèle de Bardeen et une barrière independante du métal.

1.3. MOdèles récents

I I I I

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I

On obtiendra à la suite de cette réaction ^une rhJll'.el:e structure de l'interface de la forme: AI ^- A12 b) ^{- Si - Si Oý}

La réaction de l'aluminium ^e v e c le dioxyde ^{de :;.: r c r i.r..}

pro d u i tun e cou che Al

2 0, dur ant let rai t erne n t the rm i que so' .) <.

mo s ph ère de gaz I 3 _I I a for ma t ion dec e t t e cou che con d u i t éi '

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Fig. 1-3: Structure du c o-i t a c t "1 ^{- _oi}

Si

L'aluminium à l'interface AI/Sio2 réagit pour former un composé _{A12 0,} et rédui t ainsi la Un exées de Si se produira alors ^{à )} 'interface.

ýsieurs modèJe5 ont été proposés

variation de 0b ^à partir de valeurs idéales dans _ce qui suit:

1.4.1. Interface AI/Si ₀₂

1.4: _{CClffACT AI /} Si.

I I I I I I I I I

2 AI ⁺ JH 20

l'atome d'hydrogéne plus réactif que ^la molécule, ^sa- ture facilement les liaisons pendantes.

ALCINWANDEI31 a montré que ^la hauteur de barrière (ý) pour ^le

silicuim orienté (111) est plus élevée que pour ^{le Si} orienté (100) On peut dire ^à la suite de résultats expérimentaux, que

la barrière Sb est étroiteýnt, liée à l'état de surface (épais- seur de la couche d'oxyde) et à J'orientation de la surface du

semiconducteur.

Les liaisons pendantes du silicium à l'interface Sj/Siý sont passivées à l'hydrogène durant le traitement thermique sous

a trno s'phè _{r e} de gaz pour donner: H2---ýý2H 1.4.2. Interface Sil Si.ý

Les différentes méthodes utilisées sont

- 'II ^-

DE LA SlRFACE

TJ:_PARAT Ict.I

- Les néttoyages chimiques de surface.

Les décapages ioniques ^"

- Les préparations particulières adaptées au jet moléculaire.

- Les recuits pendant et après ^la métallisation.

Le paramètre qui condi1ionne cette interface en présence ou en absence d'oxyde natif est associé aux conditions d'élabo- ration des contacts.

ce _type de néaoyage induit toujours une couche d'oxyde, dont ^la composition diffère suivant ^la solution d'attaque et in-

fluence les caractéristiques électriques du contact réalisé I 7 _I

Dans ce paragraphe, nous allons faire une brève synthèse des résultats parus dans ^la littérature concernant les conditions

technologiques d'élaboration du contact.

on vient d'exýiner l'influence des couches d'oxyde natif ýu rapportées, sur les caractéristiques du contact ýtal-semicon-

ducteur.

Il a été constaté une auýntation systématique de la barrière ý et une diminution du facteur d'idéalité n des échan-

tillons traités par une solution d'acide nitrique et ensuite ^re- cuits ^à différentes températures.

J.5.

1.'.1. ýOya8e chimique

I I

I I I

I I

I

I I I

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I

1.ý.2. Décapage ionique

Le décapage ionique, mêý associé ^à un recuit, donne une perturbation irréversible des caractéristiques électroniques du matériau dans ^la zone de surface, mise ^en évidence par l'étude

des contacts Schottky réalisés sur ces surfaces 1'6, ¹⁷ I.

5.3. Préparation particulière de surface

La préparation de la surface par épi taxie par jets molé- culaires permet d'obtenir une surface" propre" et d'excellentes caractéristiques du contact Schottky I 8, 17 I mais reste très délicate à mettre en oeuvre.

ý """ Traitement thermique

Le traitement thermique pendant on après ^la métallisation favorise l'adhérence du métal et optimise les valeurs du facteur

d ^' i déa ^{j j} té.

Plusieurs articles ont traité d'une manière détaillée une gý de techniques de traitement thermiques sous atmosphère ^de gaz contrôlée ou par bombardement ionique des contacts Al/Si.

On observe dans ^le cas de l'aluminium, que les propriétés de redressement de ces contacts sont aýliorés par un recuit post- évaporation dans une. gamme de température comprise entre 300 et 400°C. 120, 21, 22, 23 I.

Il y a une évolution de la hauteur de barrière du contact Al-Si (n) en fonction de la température.

On peut considérer que le recuit apporte l'énergie nécés- saire ^{à la} forýtion de liaisons chimiques ou pour de plus faibles

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- 16 ^-

températures, permet la diffusion de la couche métallique ^{à trl-} vers la zone d'interface constituée essentiellement d'oxyde

résiduel.

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1.6 " .-u._ýISltES DE TRN-iSPCRT ^A lM BARRIERE M.Sc.

Ar ^{es propriétés de conduction} d'un contact métal-sýi- conducteur sont déterminées pa& ^le mode de transport qui peut etreA ^.

(1) l'émission thermoionique d'électrons au ^- dessus de la

barrière ( mécanisme prépondérant dans les diodes Schottky).

(2) L'émission thermoionique assistée par effet ^de chý d'électrons à travers le haut de la barrière.

(3) L'émission de chýp ^ou passage par effet tunnel d'éléc- trons ^à travers Ja barrière ( prépondérant dans Jes contacts ^oh- ml que s ) "

(.) La recombinaison dans les zones de charge d'espace et neutre.

(') l'émission thermoionique assistèe par effet ^de champ ^et par pièges.

Vdo

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ýýý---Ev .---._---M

Figure 1-4

Le dopage du semiconducteur peut modifier ^le mode de trans- port des porteurs ^à travers une structure métal-semiconducteur.

La loi empirique qui régit ^le passage du courant dans une diode Schottky est de la forme:

(I) '(2)

Figure 1.5

caractéristique I-V pour des duýages:

A N

ý 1017 an-3

8 ^. N::s 1018_ 1019an-3

1019 an-!

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Js= A* Ta exp ^{( -} q 0 bn I Ky)

J = Js _I exp (qV/Ký ) - ₁

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où

Quand ^le dopage augmente, ^la largeur de la zone de ^d ép l

é t i o..

diminue et la barrière devient ^s uf ^{f i} semen ^t fine pour que les po ^r t e u rs exci tés the rm i qu erne nt pu iss^{e n t} pas se^r par ^{e f fe t} tun n e ^J pré ^s du hau t

de la barrière.

I

,

exp (q V/r«l' ) - exp r ⁽ _-k- ^{- 1 ) qV I KT] (3)}

Figure 1-6

où n ^: est le facteur d'idéaJité: Il rend compte de ^la force lýge, de couches ^à J'interface et de l'effet tunnel.

Une expression seni-empirique des caractéristiques I.V résul- tan tee ^s't 12li.

Quand il est égal ^à l'unité on retrouve l'aquation (1). AinSl l'écart de n par rapport ^à J'unité peut être utilisé comrrý une me- sure de la contribution relative de l'émission thermoionique assis- tée par effet de champ d'éJectrons ^all dessus de la barrière.

La relation courant-tension prédite par l'équation (l) est donnée par la ^{f l}gu'r e (1-6).

L'émission thermoionique et l'émission assistée par effet de chýp peuvent coexister.

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- 20 ^.

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La formation d'un contact ohmique repose sur l'obtention

à la surface du sIc d'une couche forteýnt dopée qui favorise ^le passage des porteurs par effet tunnel.

Dans ce cas, on ne parle plus de hauteur de barrière ou de facteur d'idéalité, mais de résistance ^de contact définie par:

On peut aussi rendre compte ^des variations de la hauteur de barrière avec la polarisation, ^{ce qui} peut être justifié par ^la présence d'une couche d'oxyde.

Lors de la caractérisation de contacts réels, on a intro- duit le facteur n ^.

Qui représente l'écart entre le comportement exponentiel d'une diode idéale définie selon ^{la loi} de la thermo émission et le

comporteýnt d'une diode réelle où l'interface métal ^- sc joue un rôle non négligeable.

1.6.2. Le contact ohmique.

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Cette couche fortement dopýe peut ýtre crýe avant ^le dýpot métallique par diffusion, implantation ionique ou épJtaxie.

Le semjconducteur devient dégénéré dans cette zone en même temps que ^la barrière.amincit, ce qui favorise le passage des éléc- trons par effet tunneJ.

Les techniques sont largement développées en technologie siliciwn. On encore après le dýpot du métal, par traitement ther- mique ctassique ou encore par recuit laser.

Le surdopage modjfje Je diagramme énergétjque comme jJ est montré sur la figure.qui suit.

Ces méthodes permettent de faire diffuser l'un dans l'autre

mèt a I et semiconducteur, _mais el les exigent que ^le métal soi ^t un dopant du semiconducteur on contienne l'élément agissant comme tel.

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« HAP ^I T R E II

Dans ce chapitre, nous allons évoquer deux études compa- ratives concernant le contact métaJ- semiconducteur en général ^et les structures AI ^- Si en particulier. En premier lieu nous avon5 rassemblé les techniques expérimentales mises en oeuvre pour mener

à bien notre étude.

Nous présenterons les modes de traitement de ^la surface du substrat (silicium)en insistant sur les critères de choix qUI

nous ont arrlené à proposer d'une part un traitement chimique de

surface, un traitement thermique ⁱⁿ situ sous atmosphère d'hydro- gène; et d'autre part effectuer ^des recuits (classique et rapide) pour recristalliser ^la structure AI-Si. Nous donnerons ^le princI- pe du recuit thermique rapide, réalisé au niveau du laboratoire de Physique.

Comme nous l'avons vu dans le premier chapitre, J'étude des interfaces nécéssite la mise en oeuvre de nombreuses méthodes de caractérisation.

Nous présenterons alors les diverses analyses, physico- chimique ainsi que la caractérisation électrique appliquée aux cý- posants obtenus: les caractéristiques Iý)et CV pour ^les diodes Schottky et une méthode de mesure par extrapolation pour ^les con- tacts ohmiques.

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- 21 ^-

Il. I. /7 ^A PULVERI SATICfII CAnDllÇUE

/7 ^a pulvérýation cathodique est un procédé de dépot sous vide. Il fonctionne ^à froid, ^en plasma luminescent, sous atmosphère de gaz sous pression de 10-3à 1 torr. Il 'permet de déposer tous les types de ýtèriaux siýle ^ou composé.

Il.1.1 Description

L'installation de pulvérisation comprend:

- Une enceinte de dépot

- Un groupe ^de pompage

- Une armoire d'alimentation.

Il.1.2. Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement de la pulvèrisation est don- né en figure (11.1). Le ýtériau ^à déposer est introduit dans l'en- ceinte ^à vide sous forme d'une plaque de quelques milliýtres ^d'é- paisseur et de diýnsions sensiblement égales ^à celles de l'échan-

til Ion à r ecouv ^{ri r ,}

Cette cible est fixée sur une électrode refroidie ^{( la} cathode), qu'on porte ^à une tension négative de 3 à 5 Kv.

Les substrats sont généraleýnt portés par l'anode ýin- tenue ^à la ýsse, disposée parallèlement ^{à la} cible ^à quelques.cen- timètres.

Les gaz ^à basse préssion ^{( I à} 10-3 torr), sont ionisés par ^un champ électrique intense (crée par une tension continue ap- pliquèe entre les deux élèctrodes; la cible et l'échantillon),

Pompe pri.aire Vanne de dépôt

Vanne entre ^1ý sas et la chambre

Plateau porte-cibles

Pompe ^à diffusion d'huile (PS)

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Fig. Il ^{- 1 - la.}

Vanne pour entrée d'air

Vanne

Pompe primaire

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Fig.II-I- b.

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Photons

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Particules ncýtres par la cible (95%)

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C·"]""('-- 't.,.,"._b.L" "." .: ^{g j} _.;

Particules chargées (5%)

Pil:,tieJ cl' ar-gé e s

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