Introduction L`Institut a décidé de se doter d`un système capable de

DECEMBRE 2005 IPNO-05-05
La Microsonde basse énergie
à base d’agrégats
J.ARIANER

Introduction
L’Institut a décidé de se doter d’un système capable de produire des agrégats
ionisés d’atomes accélérés sous 100kV. Il aura vocation de microsonde car l’objectif
est d’obtenir des faisceaux microniques.
La démarche pour réaliser un tel système est classique :
- partir d’une source d’agrégats ayant d’excellentes qualités optiques : forte
brillance et faible dispersion en énergie. La source à pointe liquide, dont
nous maîtrisons la technologie, est la candidate idéale.
- Avoir une géométrie d’extraction des agrégats sans aberration.
- Collimater le faisceau pour définir un objet pour l’optique, source
secondaire, d’excellente émittance.
- Focaliser le faisceau résultant dans une lentille à faibles aberrations.
- Trier dans ce faisceau pour n’avoir qu’une race de particules.
- Accélérer de quelques kV à l’extraction jusqu’à 100kV pour l’utilisation,
dans une géométrie à faibles aberrations. Cette accélération est très
focalisante. Le point image peut déjà être micronique et utilisé comme tel.
- Démagnifier le faisceau par un dispositif surfocalisant et placé assez loin de
l’image précédente : un choix universel est celui du quadruplet « russe ».
L’agencement de l’ensemble est schématisé sur la figure suivante.
La source LMIS est suivie d’une lentille électrostatique multi-cylindre placée derrière
un premier collimateur de 2mm de diamètre. L’échantillon de faisceau est ensuite trié
par un filtre de Wien. Celui-ci introduit une dissymétrie dans le plan horizontal.
Vient l’accélération en une étape puis la démagnification. La microsonde fait 2.5m
de long.
La construction des éléments nécessite, entre autres, d’avoir des tolérances
mécaniques serrées. Elles doivent être, au niveau du quadruplet, de l’ordre de la
dimension de la tache finale.
Ce rapport décrit les méthodes et les résultats obtenus par simulation sur les
éléments vitaux définis ci-dessus.
Les moyens de modélisation sont forcément variés, il n’existe pas de code universel
capable de traiter l’ensemble du problème. Nous n’avons utilisé, sauf avertissement,
que des codes à intégration d’équations de trajectoires avec une méthode de Runge-
Kutta du 5ème ordre. Ils ont tous fait l’objet soit d’une validation préalable soit d’une
utilisation éprouvée.

La source à pointe liquide
On parlera ci-après de source de type LMIS (Liquid Metal Ion Source). Elle est
basée sur l’ionisation de champ obtenue à partir d’une goutte de métal liquide
formée sur une pointe submicrométrique. Cette pointe est placée face à une haute
tension. Le champ électrique à son voisinage, très élevé, fait « désorber » les atomes
et déforme leur puits de potentiel au point que les électrons périphériques peuvent
s’échapper [http://cel.ccsd.cnrs.fr/cours/cel-32/cel-32.pdf].
Cette source est très utilisée pour produire de fins faisceaux permettant une
lithographie nanométrique, de par son excellente émittance.

Elle permet en outre de produire des agrégats de métaux facilement fusibles (gallium
et or en particulier).
L’extraction se fait, dans notre cas, en deux étapes sous 7 et 20kV.
Sa modélisation s’est faite avec le code EGUN dans sa version 32bits travaillant dans
l’environnement Windows [SLAC Report 331 (1988). W.B. Herrmannsfeldt
[email protected] et disponible via Scientific Software Services et
R.Becker [email protected]]. Ce code constitue la référence en
matière d’études de zones d’émission.
Le premier graphe montre le comportement de 10 raies représentatives, issues de la
pointe cathodique, sans charge d’espace. La pointe est une calotte sphérique de
0.5mm de rayon et les raies sortent radialement. La géométrie d’accélération est très
défocalisante et ces raies sont perdues.
Faire partir les raies parallèlement à l’axe de propagation ne change rien, sauf pour
les raies centrales. L’émittance est gouvernée par le champ, les aberrations sont
importantes.
On pourrait conclure que cette géométrie n’est pas bien adaptée pour profiter de
toute l’intensité émise par la source. En fait, la zone d’émission n’est que de quelques
microns [E.Munro. Focusing of charged particles 13B p80. Edité par A.Septier chez

Academic Press]. En tenant compte de ce résultat, on obtient les graphes suivants.
Sachant que le collimateur est à 15mm de la pointe, 9 raies sur 10 le franchissent.
Le graphe d’émittance s’identifie quasiment à une ligne, il est vrai que la valeur
native de l’émittance est de 5 10-6 mm.mrd. La dispersion en énergie est de 45eV
(les mesures donnent 60). L’aberration sphérique a disparu.
Ces données seront injectées dans les simulations de la lentille et de la ligne de
transport en général.