Brevet FR2678425A1 — publié le 19921231

i Procédé de renforcement de l'émission d'ions secondaires positifs dans des matrices oxydées Elle s'applique à l'utilisation de spectromètres de masse notamment aux spectromètres de masse à haute transmission des types connus sous l'abréviation anglo-saxonne "SIMS" de "Secondary ions masse spectrometer dont des descriptions peuvent être trouvées par exemple dans le livre intitulé "Secondary ions masse spectrometry ayant pour auteurs A. BENNINGHOVEN, F G RUDENAUER et H W WERNER publié par Wl Iley Intersciences 1987. Dans ces spectromètres la sensibilité et la précision de toute analyse dépend directement du rapport R existant entre le nombre d'ions collectés par un bombardement d'ions primaires appliqués sur un échantillon de matériau déterminé et le nombre d'atomes Na appartenant au matériau pulvérisé R dépend natu- rellement des caractéristiques du matériau analysé et il est égal au produit du rendement de ionisation Ri par le coefficient T de transmission de l'optique secondaire du spectromètre Ri se compte en nombre d'ions pulvérisés Np divisé par le nombre d'atomes pulvérisés Na et T est égal au nombre d'ions collectés (Ni) divisé par le nombre d'ions pulvérisés (Np) Pour bien optimiser une analyse de type SIMS les deux paramètres Ri et T précédents doivent également être bien optimisés Le coefficient de transmission T de l'optique est optimisé grâce à une optique électrostatique qui tient compte de la dispersion énergétique et de la dispersion angulaire de la source d'ions secondaires Le coefficient Ri est optimisé en utilisant la source d'ions primai- res qui pulvérise l'échantillon préférentiellement sous la forme d'ions au dépend de la pulvérisation d'atomes neutres Ainsi par exemple, un faisceau d'ions primaires césium renforcera une émission d'éléments électronégatifs sous forme d'ions négatifs et de façon complémentaire le renforcement d'éléments électro- positifs sera plus sensible en utilisant un bombardement d'ions primaires oxygène et en effectuant une analyse des ions secondaires positifs En ce qui concerne l'analyse des éléments électropositifs, le bombardement d'un matériau par des ions d'oxygène sous incidence oblique ne permet généralement pas de saturer la surface en oxygène Il faut dans ces conditions pour renforcer l'émission de ces éléments sous forme d'ions positifs adjoindre un gaz d'oxygène qui permet de saturer la surface de l'échantillon en oxygène Ce phénomène de renforcement d'émis- sion d'ions positifs a été mis en évidence dans de nombreuses matrices non oxydées telles que le silicium, l'arséniure de gallium et des descriptions correspondantes de ce procédé de renforcement d'émission d'ions positifs peuvent être trouvées par exemple à la page 211 et aux pages 218 à 225 du livre de A. BENNINGHOVEN, F G RUDENAUER ET H W WERNER cité précédemment Lorsqu'il s'agit de matériau oxydé l'utilisation d'un jet d'oxygène apparaît illusoire puisque l'échantillon est naturellement saturé en oxygène Dans ce cas le renforcement de la sensibilité ne peut être obtenu qu'en augmentant le coefficient de transmission T Cependant ce renforcement du coefficient de transmission ne peut être obtenu qu'en augmentant proportionnellement les dimensions de l'optique attachée au spectromètre Cela devrait conduire, par exemple, pour l'appareil de type IM 54 F commercialisé par la Demanderesse, à augmenter proportionnellement la dimension du rayon de l'aimant qui est déjà pour ces appareils assez importante de l'ordre de 60 cm Dès lors pour obtenir, par exemple, un gain de transmission de 5 par rapport à celui déjà existant dans ces appareils il faudrait modifier le rayon de l'aimant pour le porter à environ 3 mètres Cela montre qu'il n'est pas possible d'augmenter indéfiniment le rapport de transmission des spectro- mètres sans arriver à des dimensionnements exagérés de ces appareils. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de renforcement de l'émission d'ions secondaires positifs dans des matrices oxydées composées de matériau ayant au moins deux éléments de numéros atomiques différents, un lourd et un léger, par un faisceau de particules primaires caractérisé en ce qu'il consiste à insuffler de l'oxygène au- dessus du matériau oxydé en même temps qu'est effectué la pulvérisation dans la couche superficielle des atomes composant la matrice oxydée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raîtront ci-après à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: La figure 1 une vue en coupe d'une lentille électromagné- tique de tête d'un spectromètre de masse à laquelle est adjoint un dispositif d'amenée d'oxygène au-dessus d'un échantillon à analyser. La figure 2 un graphique montrant l'influence sur des matrices oxydées de zircon d'un jet d'oxygène dans le renforce- ment de l'émission d'ions positifs. Contrairement à l'enseignement fourni par le livre de A BENNINGHOVEN, F G RUDENAUER et H W WERNER concer- nant le renforcement d'émissions secondaires par soufflage d'oxy- gène au-dessus d'un échantillon non oxydé tel que le silicium ou l'arséniure de gallium qui montre qu'à priori, il n'y a pas d'in- térêt à utiliser un jet d'oxygène pour traiter une matrice déjà oxydée puisque l'échantillon est par nature déjà saturé en oxy- gène, le procédé selon l'invention consiste à aller à l'encontre de cet enseignement pour l'appliquer également sur les matrices de matériau déjà oxydé Contre toute attente une amélioration de sensibilité due au jet d'oxygène sur une matrice de matériau déjà oxydé peut en effet être constatée Sur des matériaux tels que l'uraninite (U 02) ou le zircon (Zr Si O 4), des émissions d'ions montrant la trace de plomb par exemple peuvent être renforcée considérablement d'un facteur 10 dans l'uraninite et d'un facteur 4 dans le zircon lorsqu'un jet d'oxygène suffisant est appliqué sur ces échantillons en même temps qu'est réalisée par le faisceau primaire une pulvérisation préférentielle des éléments constituant l'échantillon en fonction de leur masse dans sa couche superficielle De la sorte la couche superficielle n'a plus la composition donnée par la formule chimique du matériau analysé Il en résulte un appauvrissement en éléments légers tel que l'oxygène et un enrichissement en éléments lourds tel que le zirconium, le plomb ou l'uranium De ce fait la couche superficielle n'est plus saturée en oxygène et le jet d'oxygène qui est apporté au- dessus de l'échantillon permet de renforcer alors l'émission des -ions positifs. Naturellement pour avoir un bon compromis la quantité d'oxygène apportée au-dessus de l'échantillon doit être suffisante pour saturer la couche superficielle Cependant plus l'intensité du faisceau primaire utilisée pour pulvériser la couche superficielle est grande plus l'arrivée à saturation exige un flux d'oxygène important Comme selon les matériaux le taux d'érosion de la couche superficielle est variable il faut prévoir un ajustement pour chaque matériau du flux du faisceau primaire et du flux d'oxygène pour rechercher le maximum d'émission secondaire. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est représenté à la figure 1 Dans ce dispositif l'échantillon 1 à analyser est placé sous le bombardement d'un faisceau primaire 2 d'un appareil SIMS Une pièce support 3 supporte l'objectif de tête 4 de l'appareil formé par une lentille électrostatique 5 comportant un canal central 6 par lequel remonte les ions secondaires arrachés de l'échantillon 1 par le bombardement du faisceau primaire 2 et canalisés au travers de la lentille 5 en direction d'une colonne 7. Un tube capillaire 8 est fixé en appui sur la périphérie de la lentille 5 par un ressort 9, ce tube 8 étant alimenté par une réserve d'oxygène extérieure non représentée L'extrémité du tube capillaire 8 est placée en regard de l'échantillon 1 de façon à appliquer un jet d'oxygène au-dessus de la surface de l'échantillon bombardé par le faisceau primaire 2. Le graphique de la figure 2 fait apparaître l'influence du jet d'oxygène appliqué par le tube capillaire 8 sur la surface d'un échantillon de zircon (Zr Si O 4) Il montre que l'intensité du faisceau d'ions émis par l'échantillon et remontant dans le canal central 6, à la suite du bombardement par le faisceau primaire 2, passe de 30 ions par seconde à 135 ions par seconde correspondant à un renforcement de 4,5 Iorsque la pression en oxygène passe d'environ 10-8 à -10-7 Torr à 2,5 x 10-5 Torr. Pour des échantillons d'uraninite U 02 Ie gain en performance est encore supérieur, puisqu'un facteur 10 peut être obtenu. REVENDICATIONS 1 Procédé de renforcement de l'émission d'ions secondaires positifs dans des matrices oxydées ( 1) composées de matériau ayant au moins deux éléments de numéros atomiques diffé- rents, un lourd et un léger, par un faisceau de particules primaires ( 2), caractérisé en ce qu'il consiste à insuffler de l'oxygène ( 8) au-dessus du matériau oxydé en même temps qu'est effectué la pulvérisation dans la couche superficielle des atomes composant la matrice oxydée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau composant la matrice oxydée ( 1) est du zircon. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pression en oxygène est réglée fonction du débit de particules primaires ( 2). 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau composant la matrice oxydée ( 1) est de l'uraninite. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un tube capillaire ( 8) d 'arrivée en oxygène fixé en appui sur la lentille ( 4) composant l'objectif d'extraction et focalisation des ions secondaires.