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Implanteur 400 kV : IMIO400

Les implantations avec IMIO 400

Les implantations avec IMIO 400

Le principe de l’implantation ionique, est d’accélérer des ions positifs dans un champ électrique pour leur donner l’énergie qui leur permette de pénétrer à une profondeur donnée dans un substrat. Les avantages de l’implantation ionique sont la précision au niveau de la sélection des isotopes, du contrôle de la fluence et de la profondeur d’implantation, et, la reproductibilité de ces paramètres.

Du fait de l’irradiation, cette technique peut être la cause de dégâts qui créent des défauts dans les échantillons. Dans la majorité des cas les échantillons seront guéris, les défauts réparés,  par des recuits.

 

 

Caractéristiques techniques d’IMIO400:

 

  • Energie de faisceau : 60 à 400 keV pour les ions monochargés
  • Source de type Bernas Nier permettant l’utilisation d’espèces gazeuses, liquides ou solides.
  • La quasi-totalité des éléments des la classification périodique peuvent être implantés sur IMIO400. Les isotopes sont sélectionnés grâce à un aimant électromagnétique d’analyse.
  • Courants produits variant de quelques uA à une centaine de uA
  • Taille minimale du faisceau : 2  mm
  • Balayage électrostatique sur une surface variant de 2.6 x 3.1 à 4.6 x 10.6 cm2.
  • Profondeur d’implantation variant avec les échantillons et les énergies de faisceau, et pouvant atteindre 500 nm.
  • Doses implantées de 10 12 at.cm2 à 10 17 at.cm2.
  • Température d’implantation :

-         la température ambiante  avec refroidissement  du porte objet par circulation d’eau.

-         pour des échantillons de dimensions inférieures à 4.6 x 3.1 cm2, possibilité d’utiliser  un porte-échantillon chauffant jusqu’à 600°C.

  • Chambre d’implantation permettant la mise en place simultanée de 3 porte-échantillons.

 

IMIO 400 a été entièrement conçu et réalisé par la collaboration du bureau d’études, du  service mécanique et du service accélérateurs de l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon dans les années 90.

 

- Plateforme IMIO 400 -

 

 

 

 

 

1 La source

Pour les solides il faut introduire deux étapes supplémentaires par rapport aux liquides ou aux gaz : placés dans un four en entrée de source, en plus du chauffage ils subissent une attaque chimique par un chlorure, typiquement CCl4. et sont ainsi vaporisés avant d’être introduits dans la source. Ainsi quel que soit l’état physique naturel des produits de départ, les éléments chimiques à implanter sont introduits à l’état vapeur dans le plasma régnant dans la source. Les atomes ou molécules sont ensuite ionisés par impact électronique dans la décharge entretenue entre l’anode et la cathode chaude qui émet des électrons par effet thermoélectronique. Cette technique permet d’ioniser, une ou deux fois, quasiment tous les éléments de la classification périodique.

L’isotope implanté peut être stable ou radioactif, ex : 133 Xe

 

- Intérieur source IMIO 400 -

 

 

 

 

 

2 L’aimant électromagnétique d’analyse

Après une pré accélération de 30 keV, les isotopes sont triés par un aimant électromagnétique d’analyse.

Cet aimant permet à faire le tri en masse de tous les ions positifs issus de la source, et en particuliers de faire une sélection isotopique.

En traversant le secteur magnétique  un ion de masse m et de charge q, voit son rayon de courbure r différencié lorsqu’on fait varier H. Le rapport : m/q = f (H2, r).

La précision de l’aimant d’IMIO 400 permet de séparer sans ambigüité les rapports m/q.

 

 

 

3 L’accélération

A la sortie de l’aimant le faisceau d’ions triés, subit une accélération dans un champ électrique.

Soumis à une tension V,  le faisceau prend une énergie cinétique égale à : eV.

Le choix de la tension va donc déterminer la profondeur à laquelle le faisceau pourra pénétrer dans l’échantillon.

IMIO400 est doté d’un générateur de tension continue appelé cascade de Cockroft-Walton ou encore cascade de Greinacher.

Le bâti de l’ensemble de l’accélérateur repose sur 4 pieds isolants.

 

 

 

 

4 L’implantation

Pendant les implantations et en particuliers lors de la mise en tension, la plateforme de l’accélérateur est pilotée depuis un pupitre isolé de la machine. C’est aussi depuis ce pupitre que le faisceau produit sera focalisé jusqu’à avoir un diamètre de l’ordre de 2 mm

La surface implantée est ensuite ajustée grâce à un générateur de balayage en horizontal et en vertical.

- Générateur de balayage -

 

 

 

 

 

5 Quelques exemples d’implantations réalisées sur IMIO400 :

-         153 Eu++ dans des substrats de Fer pur

-         37 Cl+ dans du graphite

-         133Cs++ dans des composés carbonés.

-         129 Xe++ dans diverses céramiques.

-         18O+ dans SiC

-         15N+ dans SiC

-         133 Xe+ dans UO2.

-         1H+ dans SiC chauffé à 450°C.

Les échantillons peuvent être inclinés pour éviter la canalisation ; ils peuvent également être chauffés pendant l’implantation. En fonction des impératifs expérimentaux, si nous ne disposons pas des portes objets nécessaires, nous pouvons en concevoir de nouveaux et les réaliser au Laboratoire, en collaboration avec le bureau d’études et l’atelier de mécanique de l’IPNL

Tous les paramètres : intensité et énergie de faisceau, fluence, choix de l’isotope, surface implantée sont étudiés au cas par cas avec le client.

Dans le cadre de la procédure qualité, à l’issue de toute implantation un rapport récapitulatif signé est rendu avec les échantillons. L’enquête de satisfaction est réalisée grâce au retour de ce rapport, dûment complété par les résultats des analyses réalisées par le client sur les échantillons « tels qu’implantés ».

Avec IMIO400 le plateau implantations ioniques est ouvert à toute demande de l’IPNL ou de l’Université Claude Bernard Lyon1, et aussi aux demandes émanant d’autres établissements publics ou privés, français et étrangers. Les travaux peuvent être réalisés dans le cadre de collaborations, exemples avec les ANR, ou sous forme de prestations après établissement d’un devis.

 

 

Christophe PEAUCELLE - Responsable SFI                                                       peaucelle@ipnl.in2p3.fr