Étude des effets directionnels dans la transmission de protons de 2 MeV à travers un monocristal de silicium

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Submitted on 1 Jan 1967

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Étude des effets directionnels dans la transmission de protons de 2 MeV à travers un monocristal de silicium

J. Remillieux, J.J. Samueli, A. Sarazin

To cite this version:

J. Remillieux, J.J. Samueli, A. Sarazin. Étude des effets directionnels dans la transmission de protons de 2 MeV à travers un monocristal de silicium. Journal de Physique, 1967, 28 (10), pp.832-838.

�10.1051/jphys:019670028010083200�. �jpa-00206590�

ÉTUDE

DES EFFETS

DIRECTIONNELS

DANS LA

TRANSMISSION

DE PROTONS DE 2 MeV A

TRAVERS

UN

MONOCRISTAL

DE

SILICIUM

Par

J. REMILLIEUX, J. J. SAMUELI,

^A.

SARAZIN,

Institut de Physique Nucléaire de Lyon (France).

Résumé. 2014 Ce travail décrit les

phénomènes

de canalisation subis par des

protons

^de

2 MeV à travers un monocristal de silicium, orienté

(111).

La canalisation axiale à travers les canaux

[110], [111], [112]

^et

[114]

^{et la} canalisation

plane

^{dans les}

plans (110)

^et

(111)

^ont

été étudiées

expérimentalement.

^{Nous avons} calculé la surintensité mesurée le

long

^{du canal}

[110].

Les résultats sont en bon accord avec la théorie de Lindhard. ^Nous donnons des résultats

expérimentaux

relatifs à la

composante

^{à forte}

perte d’énergie.

^{Enfin, une méthode}

photogra- phique

^a

permis

d’observer la structure étoilée des faisceaux canalisés.

Abstract. ²⁰¹⁴ This paper describes

experimental

^{work on}

channeling

^{of 2 MeV}

protons through

^{a silicon}

crystal,

^oriented

(111).

^Axial

channeling along [110], [111], [112]

^and

[114]

axes and

planar channeling along (110)

^and

(111) planes

have been studied. The

expérimental

anomalous transmission of the

[110]

axis has been calculated. Results are in

good agreement

with Lindhard’s

theory. Experimental

^{results on the}

high-energy-loss component

^are

given.

The so-called "star

patterns"

have also been observed

by

^a

photographic

^method.

I. Introduction.

Rappel

^des

expdriences ddji

^rda- lisdes. ^-

Depuis 1960,

de nombreuses

experiences

faites sur des monocristaux ont pu ^{mettre en} evidence les

ph6nom6nes

de focalisation et de canalisation.

Dans des 6tudes de

pulverisation cathodique

^{de mono-}

cristaux,

^{il a}

toujours

ete observe une

ejection pr6f6-

rentielle le

long

des directions

principales

^{du reseau}

due a 1’effet focalisant des

rangees

d’atomes. On constata d’autre

part

^la

penetration

anormalement 6lev6e de differents ions canalises dans les directions

cristallographiques

des cibles. Des 6tudes de diffu- sions coulombiennes et diverses reactions nucl6aires r6alis6es avec des cibles monocristallines montr6rent que, dans les directions d’axes ^et de

plans,

^les

ph6-

nomènes mesures

pr6sentaient

des minima.

Enfin,

1’6tude

spatiale

^du

rayonnement

^6mis par ^{une source} mit en evidence une décroissance de I’activit6 le

long

de ses

plans

cristallins.

Ce n’est

qu’en

¹⁹⁶⁴

qu’un

^{int6r8t tout}

particulier

fut

porte

^aux 6tudes de transmission de

particules rapides, ayant

^des

energies

de l’ordre du

MeV,

^a

travers des monocristaux de silicium et

germanium.

Ainsi fut 6tudi6e la canalisation

plane

^{et axiale de}

protons

^{de 3 a 5}

MeV, puis

de 60 a 400

keV,

^{a travers}

du silicium

[1, 2, 3, 4, 5],

^{et de}

protons

de 3 a 11 MeV dans du

germanium [6].

II.

Appareillage.

^- Ce travail a ete realise a l’aide de I’acc6l6rateur Van de Graaff de 2 MeV de l’Ins- titut de

Physique

Nucl6aire de

Lyon.

^{Pour ne} pas

d6t6riorer le monocristal 6tudi6 et ne pas creer

d’empi-

lements dans les chaines de

detection,

il était n6ces- saire de

disposer

d’un faisceau de tr6s faible

intensite;

pour

cela,

nous avons diffuse le faisceau

primaire

^sur

une mince feuille

d’or,

le faisceau utile 6tant diffuse a 45°

( fig. 1).

^{Cette methode}

permit

d’obtenir l’inten-

FIG. 1. ^- Schema d’ensemble de

1’appareillage

^utilise.

site souhait6e tout en conservant un faisceau de bonnes

caractéristiques 6nerg6tiques.

^En

effet,

^avec

une cible d’or de 150

pg/cm2

^{et un faisceau}

primaire

de

protons

^{de 2}

MeV ±

²

keV,

le faisceau diffuse utile était de

1,98 MeV ± 4,5

^keV.

Pour obtenir un faisceau utile de tr6s faible diver- gence

angulaire,

nous avons du fortement

diaphrag-

mer les faisceaux

primaires

^et diffuses. On a ainsi obtenu un faisceau utile d’ouverture

angulaire

^inf6-

rieure a 5’.

Le monocristal fut centre dans une chambre

gonio- m6trique, permettant

^{de faire}

varier,

^d’une

part,

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:019670028010083200

833

I’angle

d’incidence 0 du faisceau par

rapport

^{a la} cible et, ^d’autre

part, 1’angle

cp ^mesurant la rotation de la cible autour de sa normale. L’etude des faisceaux transmis _par le monocristal fut realisee par ^un detec- teur solide de tr6s faible surface

utile,

le cone de detection

ayant

^{une ouverture de 22’. La resolution}

en

energie

de 1’ensemble detecteur et

electronique

associee était de l’ordre de 16 keV. Un circuit moni- teur

permettait

^d’arreter

1’exp6rience

pour ^un nombre

pr6affich6

^de

protons

^incidents.

L’appareillage

^{realise est decrit en detail} par ailleurs

[7].

III. Rdsultats. ^- Avec la

géométrie pr6c6demment decrite,

nous avons 6tudi6 les

spectres

^de

protons

transmis a travers un monocristal de silicium de 20 _03BC,

d’epaisseur.

^Du

point

^{de vue}

experimental,

^{la canali-}

sation des

protons

^{se traduisit} par deux

types

^d’ano-

malies,

dans l’intensit6 des

spectres

transmis d’une part, ^et dans la distribution en

energie

^{de ces}

spectres

d’autre

part.

A. INTENSITE DES SPECTRES TRANSMIS. ^- Le cristal utilise était oriente

(111).

^{Ainsi 0 était}

1’angle

^entre

le faisceau incident et l’axe

[111]

du cristal.

Dans une

premiere experience,

nous avons cherche a mettre en evidence le canal le

plus

^{ouvert du sili-}

cium,

^soit

[110].

^Pour

^cela,

nous avons affich6 : 6 == 3502

(angle

^entre

[111]

^et

[110]).

L’intensite transmise en fonction de p ^est

representee

^{sur la}

figure

^2.

La

symetrie

d’ordre trois de cette

figure

prouve

l’origine cristallographique

^du

phénomène

^observe.

Dans la direction des canaux cherches

apparait

^un

pic

^{dont la structure}

complexe

^est

expliquee

^{par la}

figure

^{4. Cette mesure montre} que la surface du cristal n’6tait pas

rigoureusement

^{une face}

(111).

Notons que les canaux du

type [114] qui apparaissent

^{se trou-}

vaient sur la

trajectoire balayee

par le faisceau ^et que la variation de l’intensit6 du faisceau transmis en

dehors des canaux est due a

l’hétérogénéité

^en

6pais-

seur de la cible. Cette

experience

^{a donc}

permis

d’orienter le cristal en 6 et en cp.

Ensuite,

^les

plans (111)

^et

(110)

du cristal furent mis

en evidence

grace

^a leur effet

focalisant,

^{et ce} pour dif- f6rents

angles

d’incidence 0. La

figure

^{3 montre le lieu}

des

pics

de canalisation observes dans le

rep6re (6, cp) .

Les courbes obtenues ont pu etre

rigoureusement

identifi6es avec les traces des

plans (111)

^et

(110) cherch6s;

^{il suffit en effet}

d’etudier,

pour

chaque

FIG. 2. ^- Intensite transmise par le cristal de silicium pour ^une incidence donnee 0 ⁼ 35° 2.

FIG. 3. ^- Identification du lieu des

pics

de canalisation observes avec la trace des

plans (110)

^et

(111)

^dans

le

repere (0, p).

angle 6,

^les intersections des

plans

^de

type (111)

^et

(110)

^avec le cone que decrit le faisceau ^autour de la normale a la cible

quand

^on fait varier p : ^ce cone a

pour ^sommet le

point

^{0 de la}

figure 3,

^{pour axe la}

direction

[111]

^{et son}

angle

d’ouverture est 6. Nous

avons

figur6

^le

point theorique (6min, CPmin)

^correspon-

dant au cas limite ou le cone est

tangent

^au

plan (111).

Le canal

[110] apparait

pour ^un

angle

^affiché

0 ⁼ 360 5. La surface du cristal fait donc un

angle

de 10 3 avec la face

(111).

Apr6s

avoir localise les

plans (111)

^et

(110),

^nous

avons pu etudier en detail leur transmission normalisee

( fig. 4).

^{Sur la}

figure,

^le

plan

^{de base est a la cote}

« 10 000

protons

transmis »

qui represente

la transmis- sion ^« normale » du monocristal

quand

^il

n’y

^a pas de

ph6nom6ne

de canalisation. Ainsi

représentée,

^la

canalisation dans le canal

[110] apparait

^{comme la}

somme des

composantes

canalisees dues aux

plans (111)

et

(110).

Les intensites ont du etre normalisees _pour compenser les variations

d’6paisseur

de la cible

(ob-

serv6es sur la

figure 2).

Nous avons alors 6tudi6 les variations de l’intensit6 transmise le

long

^des

plans. L’importance

^{de la cana-}

lisation ^a ete caracterisee par le

rapport :

AC :

^: intensite normalis6e transmise au sommet du

pic

^de

canalisation,

ANC :

intensite normalisee transmise

quand

^il

n’y

^a

pas de canalisation

(cote

^du

plan

^{de base de la}

figure 4).

La

figure

^{5 montre} par

exemple

1’evolution de ^ce

rapport

^le

long

^du

plan (111).

^Pour

pr6voir

^ces

variations,

^nous

reproduisons

^{sur la}

figure

^{6 la trace}

de tous les

plans

du silicium d’indices

(p, q, r)

^3.

Les zones

qui

^{ont ete} 6tudi6es dans les

plans (111)

et

(110) correspondent

^{sur ce}

diagramme

^aux seg-

FIG. 5. ^- Variation du facteur de canalisation dans le

plan (111) permettant

d’identifier trois canaux im-

portants.

835

FIG. 4. ^- Intensite normalisee transmise dans les

plans (110)

^et

(111).

ments BH et BA. Les

principales

intersections de

plans

se

produisant

^{sur ces} segments ^ont pu etre identifi6es

experimentalement.

Pour rendre

compte

des surintensit6s mesurees en

présence

^de

canalisation,

nous avons calcul6

l’impor-

tance des processus de diffusions

multiples.

^{En dehors}

des directions de

canalisation,

^les diffusions

multiples

sont aleatoires et conduisent a une

dispersion angulaire

du faisceau

qui

^{est ici}

responsable

^{de la}

perte

^{de 84}

%

du faisceau incident

(compte

^{tenu de notre tres}

petit angle

solide de

detection). Mais,

^en

presence

^de

canalisation,

les diffusions

multiples

^sont essentielle-

ment corr6l6es entre elles et conduisent a des

disper-

sions

angulaires beaucoup plus

faibles. Nous avons

pu calculer _que, dans notre cas, ^ces seules consid6ra- tions de diffusions

multiples,

^{corr6l6es ou non, suffi-}

saient a rendre

compte

du facteur 8 de surintensite mesure au niveau du canal

[110].

FIG. 6. ^- Trace des

plans

^d’indices

(P,

q,

r)

³

du reseau du silicium dans le

plan

^{AFG de la}

figure

^3.

B. DISTRIBUTION EN ENERGIE DES SPECTRES TRANSMIS.

- Sur la

figure

^{7 sont}

representes

^deux

spectres

^en

energie, caracteristiques

^{de la} canalisation

plane :

pour ^{un meme}

angle,

^{0 =}

250,

cp ⁼ 1640

spectre

« normal » de

reference,

(p ⁼ 1950

plan ( 110)

et p ⁼ 1 72°

plan (111).

^En

presence

de canalisation

apparaissent

^trois

composantes :

^{une «}

normale »,

^une

« canalisee » ^et une a « forte perte

d’energie

^{». Les}

deux

premi6res

composantes ^{sont conformes a} la theorie de la canalisation formulee _par Lindhard

en 1965

[8].

^{La derni6re}

composante

^n’est pas

prevue

par ^cette theorie.

Dans les _canaux, 1’effet est encore

plus marque :

la

figure

⁸

represente

^Ie

spectre

^transmis par Ie canal

[110] compare

^au

spectre

^non canalis6 d’une

part,

^{et au} faisceau incident d’autre

part.

^{Nous trou-}

FIG. 8. ^-

Spectre

^en

energie

^des

protons

transmis par le canal

[110] compare

^{a un}

spectre

^{non canalise} (cp ⁼

191°)

^{et au} faisceau incident.

FIG. 7. ^-

Spectres

^en

energie

des faisceaux transmis par les

plans (111)

^et

(110)

compares

^au

spectre

d’un faisceau non canalise

(cp

⁼

164°).

837

vons que la perte

d’6nergie

moyenne de la _compo-

sante canalisee est environ deux fois

plus

^{faible que la}

perte

^{« normale} », ^ce

qui

^{est en} bon accord avec la theorie de Lindhard.

Cependant,

^{le fait} que certaines

particules

canalis6es subissent une

perte d’energie

^tr6s

faible

permet

^de penser que ^m6me les processus resonnants de perte

electronique

^{ne sont} pas les memes pour ^une

particule

^{« normale » et une}

particule

canalisee.

En 6tudiant la seule

composante

canalisee des spectres

transmis,

nous avons pu determiner

l’angle d’acceptance

^{du canal}

[110].

^{Sur la}

figure 9,

^nous

FIG. 9. ^-

Angle d’acceptance

^{du canal}

[110]

du silicium pour des

protons

^{de 2 MeV.}

avons

compare

la courbe obtenue a

1’angle theorique

limite

03C81

de la theorie de Lindhard

[8]. Rappelons

que :

avec :

Zl, Z2 : charge

^{du noyau incident et du noyau}

cible,

E :

energie

^{de la}

particule incidente,

d : distance

interatomique

^des

rangees

constituant les « murs » du canal.

Nous avons enfin etudie la composante ^{a forte}

perte d’energie qui

^avait

deja

^{ete mise en}

^evidence,

^pour

des

protons

^{de 5}

MeV,

par Gibson et al. ^en 1965

[2].

Sur la

figure 10,

^{on voit} que ^cette composante passe par ^un maximum

quand

le faisceau incident fait un

certain

angle (valant

^{de 2 a 4}

03C81)

^avec la direction du

plan

^{ou canal.}

Remarquons

^{que les}

angles auxquels

surviennent ces maxima different sensiblement de

ceux cites ^en reference

[2].

C.

ETUDE

PHOTOGRAPHIQUE ^{DE LA} TRANSMISSION. ^-

Dans le but de determiner 1’allure de la distribution

FIG. 10. ^-

tvolution

^{de la}

composante

^{a forte}

perte d’énergie

^{dans les} faisceaux transmis autour de 1’age

[110]

^{et des}

plans (110)

^et

(111).

spatiale

^des

particules ayant

subi des diffusions mul-

tiples,

nous avons utilise comme detecteur sous

grand angle

^{solide un film}

photographique.

^{Un film}

classique

de 65 ASA fut

place

^{sous vide et dans} l’obscurit6 derri6re le monocristal. Nous avons ainsi _pu etudier successivement la transmission d’un faisceau de tr6s

faible, puis

^{tres forte}

divergence angulaire.

^{Avec un}

faisceau d’ouverture

5’, dirige

dans la direction

[110],

nous avons obtenu un

cliche, irreproductible ici, qui

FIG. 11. ^-

Photographie

montrant l’allure 6tofl6e d’un faisceau transmis par ^{le canal}

[111]

d’un cristal de silicium.

laissait

apparaitre

^{une « etoile » a}

longues branches,

les branches furent identifi6es ^aux

plans (110)

^et

(111).

Avec un faisceau de

divergence angulaire

¹⁰⁰

p6n6-

trant le

long

^{de l’axe}

[111],

^{nous avons obtenu le}

cliche de la

figure

^{11. La trace des}

plans principaux

est encore visible

ici,

^{un defaut}

d’alignement

^6tant

responsable

^{de la}

dissym6trie

^observee.

De tr6s r6cents travaux

[9]

^semblent

pouvoir

^inter-

pr6ter

^{ces resultats}

photographiques

^en considerant

non

plus 1’aspect classique

^mais

1’aspect

ondulatoire du

proton

^{en mouvement} dans le cristal.

Conclusion. ^- Le travail que ^{nous venons} de decrire

presentait

certains resultats

experimentaux

relatifs a la canalisation de

protons

^{de 2} MeV par ^un monocristal de silicium.

Nous avons

particulièrement

etudie le role des diffusions

multiples

^{et les}

caractéristiques

de la compo-

sante transmise avec une

perte d’energie

^anormale-

ment 6lev6e.

Au stade actuel de la connaissance de la canalisa-

tion,

^il

apparait deja

que, si elle ^se manifeste souvent

comme un effet

parasite,

^{elle peut au contraire avoir}

de nombreuses

applications

interessantes.

En

effet,

dès que l’on utilise des ^{sources ou} cibles

monocristallines,

^{il se}

peut

que diverses

grandeurs physiques prennent

des valeurs

anormales,

telles que les

pertes d’energie,

^les parcours, les

productions

^de

charges,

les diffusions sous

petits

^et

grands angles

^{et les}

sections efficaces de reactions nucl6aires.

Remarquons

que, ^{meme avec} des

polycristaux,

^une

grande

pru- dence est

n6cessaire,

^{car souvent} le mode meme de fabrication du

polycristal produit

^{un certain}

degr6 d’alignement

des microcristaux. Dans certains cas

meme,

des cibles

polycristallines

^{soumises a des fais-}

ceaux intenses sont dans des conditions tres favorables a la recristallisation locale sous

l’impact

du faisceau.

Par

ailleurs,

^des

techniques d’implantation

^d’ions

dans des semiconducteurs utilisent

deja syst6mati-

quement les directions de canalisation : les ions

injectes

dans les canaux se localisent a des

profondeurs

^bien

d6termin6es et forment ainsi une zone

dopee

^{de faible}

epaisseur.

Manuscrit requ le 20

janvier

^1967.

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