Plateforme pour l'Etude de L'Implantation Ionique Contrôlée et Analysée à l'Echelle Nanométrique – PELIICAEN

Nous proposons une solution originale, en assemblant des moyens techniques connus reposant sur les technologies de faisceaux d’ions focalisés et les sources d’ions multichargés, pour produire des faisceaux de tailles nanométriques avec un plus grand large choix d’ions et de profondeur d’implantation que les techniques classiquement utilisées. L’intégration d’un microscope en champ proche compatible avec les modes d’analyses par force atomique et par effet tunnel permettra de visualiser les modifications induites par les faisceaux d’ions sur la surface de l’échantillon même pour de faibles fluences de manière in-situ. De plus nous intégrerons au système un dispositif d’imagerie électronique composée d’un détecteur et d’une colonne de faisceau d’électrons focalisé. Ainsi par l’ensemble de ces moyens, nous suivrons les modifications induites par l’interaction ions/matière en temps réel.

Le projet PELIICAEN permet de développer un prototype dans le cadre d’un partenariat recherche-industrie. Pour démontrer les performances de cet outil, les premières expériences auront pour objet la nano-structuration de surface irradiée. Elles permettront d’élaborer et de caractériser des réseaux de bosses nano structurés de tailles régulières et inférieures à 500nm avec un pas de 700 nm maximum sur du graphite en utilisant un faisceau de xénon comme projectile.

La plateforme PELIICAEN, en proposant de développer un nano-faisceau d’ions, avec un large choix d’éléments, associé à des moyens d’analyses en ligne, fournira une instrumentation tout à fait adaptée à la fabrication et à la caractérisation de prototypes innovants pour de nombreux domaines concernés par les nanosciences et nanotechnologies. En intégrant un microscope en champ proche de type AFM/STM, nous possèderons du même coup un outil évolutif avec lequel nous pourrons caractériser en quasi temps réel de multiples propriétés physiques et chimiques sur la surface des échantillons, en utilisant uniquement le système de sonde en champ proche adapté à la mesure d’intérêt (magnétisme, optique, électrique,…).
A terme, PELIICAEN aura pour vocation d’être une plateforme permettant d’assister les programmes scientifiques et industriels liés aux problèmes de nano-structuration.

Plusieurs publications ainsi que des brevets sont envisagés sur la production et le contrôle des faisceaux de taille nanométrique. Des publications supplémentaires et brevets seront aussi possibles concernant les applications directes d’un tel outil.

Le projet PELIICAEN vise à développer un dispositif expérimental novateur permettant l’élaboration, la modification et l’analyse en ligne de nanostructures et de dopages contrôlés.
L’implantation ionique localisée est primordiale pour la recherche et le développement en nanosciences et nanotechnologies. Elle assiste les domaines de la microélectronique, la nanophotonique, la spintronique et l’élaboration de nanomatériaux en modifiant précisément les propriétés électriques, optiques, magnétiques et chimiques de la matière à l’échelle nanométrique. Parmi les différentes techniques actuelles permettant l’implantation localisée, la technologie FIB reste l’une des plus prometteuses.
L’avènement des sources LMIS Gallium est à l’origine du succès de la technologie FIB qui a contribué à des avancées spectaculaires dans les domaines des nanosciences et nanotechnologies. Cette technologie est très répandue pour l’élaboration et la caractérisation de nano-composants ou de matériaux nano-structurés, aussi bien dans les laboratoires de recherche que dans l’industrie du semiconducteur.
Les développements récents dans le domaine des FIB ont eu pour but d’améliorer leurs performances à la fois dans la gamme des petites sondes et dans celle des forts courants. C’est ainsi que la résolution ultime des meilleures colonnes FIB Ga actuelles (Cobra-FIB d’Orsay Physics) est inférieure à 2,5 nm en imagerie. Par ailleurs, des sources GFIS, grâce à leur échelle atomique permettent l’imagerie sub-nanométrique avec un faisceau d’hélium. Concernant les forts courants, des sources plasma ont été développées et couplées à des colonnes. Les meilleurs résultats sont obtenus avec une mini-source ECRIS couplée à une colonne i-FIB d’Orsay Physics : des courants de plusieurs microampères sont atteints sur la cible.
La nature des ions est aussi l’un des objectifs du développement de la technologie FIB actuelle. On vise à générer d’une part des faisceaux d’ions non-contaminants (gaz rares) et d’autre part des ions réactifs pour l’analyse (Cs, O) ou dopants pour modifier localement les propriétés électroniques du substrat. De nombreux travaux de recherche ont débouché sur un large panel de sources d’alliages (LMAIS) permettant le dopage local mais le choix de l’ion et les profondeurs d’implantation restent encore limités.
Nous proposons une solution originale, en assemblant des moyens techniques connus reposant sur les technologies FIB et sources ECRIS, pour générer des faisceaux d’ions focalisés avec un plus grand large choix d’ions et de profondeur d’implantation.
Un tel outil ouvrira de nouveaux champs de recherche dans le domaine des nanosciences et nanotechnologies du fait des possibilités de modification de propriétés des matériaux à une échelle submicronique dans les 3 dimensions. On aura alors la possibilité, en fonction des ions accélérés, des fluences, des énergies utilisées et de la nature des matériaux :
- de réaliser des réseaux intriqués à 3 dimensions de régions dopées avec différentes espèces et concentrations;
- de cibler à l’échelle nanométrique les zones d’intérêt;
- de modifier la structure de l’édifice atomique des zones bombardées par la création de défauts ou par transformation de phase;
- de changer localement la composition chimique afin de synthétiser de nouvelles phases parfois inaccessibles par les techniques classiques d’élaboration.
Ces techniques pourront ensuite être appliquées sur des plateformes de recherche et permettrons enfin d’implanter « l’ion choisi à l’endroit souhaité ».
Le partenariat entre le CEA/CIMAP, expert de l’interaction ions/matière, et Orsay Physics, PME française, un des leaders mondiaux pour le développement et la commercialisation de colonnes FIB/FEB et de l’imagerie d’émission secondaire, permettra de mener à terme ce projet novateur et attendu par une large communauté scientifique.