Implantation ionique par immersion plasma

L’implantation ionique par immersion plasma (IIIP ou PI3 pour les sigles français usuels, PBII pour le sigle en anglais), inventée puis développée vers la fin des années 80, constitue une des technologies idéales d’élaboration de nanostructures. Cette technologie, qui permet l’implantation d’éléments légers (H, O, N, C, F …) dans les matériaux à des énergies de quelques keV à plusieurs dizaines de keV, c’est-à-dire sur des profondeurs de l’ordre de quelques nm à quelques dizaines de nm, constitue un outil idéal, non seulement pour modifier fondamentalement les propriétés chimiques, mécaniques, électriques ou magnétiques des couches minces, mais aussi pour élaborer de manière simple des nanostructures par dépôts successifs et implantations localisées à travers des masques.

Le réacteur actuel du CRPMN (disponible sur plate-forme IAP3) a été le premier équipement PBII développé et mis au point en France vers le milieu des années 90. Il reste, encore aujourd’hui, l’un des rares équipements opérationnels en France à des énergies d’implantation de 50 à 60 keV.

Réacteur DECR d’implantation ionique par immersion plasma (PI3 / PBII) - plasma d’azote

Principe de l’implantation ionique par immersion plasma

• Immersion des substrats 2D ou 3D dan un plasma de grand volume
• Application au substrat d’impulsions négatives haute tension (épaisseur de gaine importante aux tensions élevées)
• Implantation des ions du plasma accélérés sous la différence de potentiel entre le potentiel du substrat et le potentiel plasma (gaine non-collisionnelle)

Forme des impulsions haute tension

Caractéristiques du réacteur IAP3

• Plasma DECR (ancienne technologie)
• Diamètre 60 cm, Hauteur 70 cm
• Puissance micro-onde 2 ´ 2 kW à 2,45 GHz
• Domaine de pression du mtorr (0,1 Pa)
• Générateur d’impulsions transistorisé (transformateur d’impulsions)
• Passage haute tension 100 kV
• Impulsions : 0-100 kV / 0-100 A / 0-50 µs / 1-50 Hz
• Énergie d’implantation maximale : 40 à 60 keV suivant conditions opératoires

Implantation d’oxygène sur lames de rasoir en réacteur DECR

Avantages du procédé PBII

• Substrats conducteurs de toutes formes (convexes)
• Extension d’échelle
• Implantation possible à basse énergie
• Co-implantation de plusieurs éléments (mélanges de gaz)
• Vitesses d’implantation élevées (doses de 1011 à 1018 cm-2)
• Possibilité de pré- et post-traitements (procédés séquentiels)

Limitations du procédé PBII

• Substrats diélectriques massifs
• Énergie d’implantation limitée à 100 keV
• Courants pic élevés (pic de courant initial, électrons secondaires)
• Pas de séparation de masse
• Mesure difficile des doses implantées (calibration)
• Production de rayons X (électrons secondaires)

Articles et ouvrages de référence

• F. LE CŒUR, T. LAGARDE, J. PELLETIER, Y. ARNAL, R. BURKE, M. BRUNEL, Distributed electron cyclotron resonance plasma immersion for large area ion implantation, Rev. Sci. Instrum., 69, 831 (1998)
• O. MAULAT, M. ROCHE, F. LE CŒUR, O. LESAINT, Y. ARNAL, J. PELLETIER, A new line of high voltage - high current pulse generators for plasma based ion implantation, J. Vac. Sci. Technol., B 17, 879 (1999)
• LE CŒUR Frédéric, thèse INPG, Décharges excitées à la résonance cyclotronique électronique distribuée et générateurs à transformateur d’impulsions pour implantation ionique par immersion plasma (Grenoble, octobre 1999)
• Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation & Deposition, édité par André ANDERS, John Wiley & Sons, New-York (2000)
• A. LACOSTE, J. PELLETIER, Processing considerations with plasma-based ion implantation of polymers : theoretical aspects, limitations, and experimental results, Nuclear Instrum. and Methods B, 208, 260-266 (2003)
• VEMPAIRE David, thèse UJF, en co-tutelle avec le Laboratoire de Cristallographie de Grenoble, Modification des propriétés magnétiques de couches minces de nickel et de manganèse et réalisation de microstructures magnétiques par implantation ionique en immersion plasma (Grenoble, décembre 2004)
• S. TAVARES, S. MIRAGLIA, D. FRUCHART, D. DOS SANTOS, L. ORTEGA, A. LACOSTE , Evidence for a superstructure in hydrogen-implanted palladium, Journal of Alloys and Compounds, 372 (2004) L6-L8
• D. VEMPAIRE, J. PELLETIER, A. LACOSTE, S. BÉCHU, J. SIROU, S. MIRAGLIA, D. FRUCHART, Plasma-based ion implantation : a valuable technology for the elaboration of innovative materials and nanostructured thin films, Plasma Phys. Control. Fusion, 47, A153-A166 (2005)
• D. VEMPAIRE, E. K. HLIL, R. GOUTTEBARON, L. ORTEGA, A. SULPICE, S. MIRAGLIA,
  D. FRUCHART, J. PELLETIER, Stucture and magnetic properties of Mn4N thin films synthetised by plasma-based ion implantation, Physica A, 358, 136-141 (2005)
• J. PELLETIER, A. ANDERS, (Article de Revue Invité) Plasma-based ion implantation - A review of physics, technology, and applications, IEEE Trans. Plasma Science, 33, 1944-1959 (2005)