Brevet FR2022555A1 — publié le 19700731

L'invention concerne un dispositif pour laproduction d'un faisceau focalisé d'ions monoénergétiques et, plus précisément, pour la formation d'un faisceau focalisé dotions monoénergétiques par la mise en place de moyens de focalisation ioniques à proximité d'une source dense d'ions, tout en disposant une électrode accélératrice d'ions à potentiel négatif en un point éloigné par rapport à la source. L'une des techniques actuellement utilisées pour-la formation de composants semiconducteurs est l'implantation ionique d'un dopant dans une plaquette en un matériau semiconducteur, pour produire des jonctions à conduction asymétrique dans des zones séparées de la plaquette. Il est souhaitable que le faisceau ionique utilisé pour l'implantation ait une divergence minimale pour peut mettre une foisation du faisceau sur des zones sélectionnées de la plaquette, et la prodondeur de pénétration des ions dans la plaquette est fonction du niveau d'énergie des ions qui frappent la surface de celle-ci. Ordinairement, les faisceanx ioniques étaient jusqu'ici engendrés en irradiant par un faisceau d'électrons des substances solides ou gazeuses afin de former un nuage ionisé à partir duquel les ions engendrés étaient extraits à l'aide d'une électrode accélératrice d'ions. Toutefois, lorsqu'une substance gazeuse sert de source pour un faisceau ionique coaxial, des ions sont accélérés par un gradient de potentiel dans-la région de chute cathodique entre le plasma et la cathode émettrice d'électrons et, du fait que le niveau d'énergie de chaque ion est proportionnel au gradient de po- tentiel par lequel celui-ci est accéléré, les faisceaux ioniques coaxiaux sont typiquement des faisceaux à large spectre d'énergie. Dans les cas où la production d' ions était réalisée en irradiant par un faisceau d'électrons des substances solides, par exemple les substances pour lesquelles il est difficile d'obtenir des dispersions gazeuses, l'électrode accélératrice d'ions était en général placée à proximité de cette substance pour extraire, des vapeurs de la source, la majorité des ions engendrés. Dans ce cas également, des quantités importantes des ions engendrés sont accélérées par des gradients de tension largement différents et le faisceau ionique est caractérisé par un large spectre de niveaux d'énergie. Une autre difficulté que l'on rencontre lors de la formation d'un faisceau ionique dans une position coaxiale par rapport au faisceau électronique générateur d'ions est la tendance du faisceau ionique à diverger sousl'effet" exercépas les champs de focalisation du faisceau d'électrons sur les ions. De même, lorsque des mo yens étendu de focalisaiion des ions sont placés entre la source d' ions et la source du faisceau électronique, la focalisation précise du faisceau électronique sur la surface de la substance constituant la source d'ions est altérée, ce qui nuit à la formation d'un faisceau d'ions monoénergétiques. L'invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénient . Ce but est essentiellement atteint en dirigeant un faisceau électronique sur une source solide avec une intensité suffisante pour vapo risér et ioniser une partie de la source, en extrayant des vapeurs de la source les ions engendrés à l'aide de moyens générateurs de champ d'accélération initiale des ions, disposés en un point distant de la surface de la source, par exemple à'tin intervalle de la source qui correspond de préférence à 50 fois au moins le diamètre du faisceau électronique lorsqu'il atteint la source, et en focalisant les ions engendrés en un point intermédiaire entre la source et les moyens à champ d'accélération initiale pour former un faisceau ionique convergent sur les moyens d champ d'accélération. Âinsi,nn gêné- rateur dtions selon l'invention comprendra des moyens pour engendrer un faisceau électronique et des moyens pour focaliser le faisceau électronique sur la surface d'une slabstané de source électriquement conductrice afin de vaporiser une partie de celle-ci.La substance vaporisée en provenance de la source interagit alors avec le faisceau électronique pour former des ions chargés positivement et il est pré- vu des moyens pour former un champ accélérateur d'ions destiné à extraire les ions engendrés à partir des vapeurs de la source, en un courant sensiblement homogèn6u monoénergétique. il est également prévu, en position intermédiaire entre la sourced'ions et les moyens à champ accélérateur, des moyens de focalisation des ions pour former un faisceau ionique convergent sur les moyens à champ accélérateur. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le faisceau ionique et le faisceau électronIque sont coaxiaux et une électrode commune, munie d'une ouverture centrale, est placée en position intermédiaire entre la source d'électrons et la source d'ions pour servir d'électrode accélératrice des ions et des électrons qui la traversent.Du fait que le dispositif de focalisation d'ions est disposé dans la région d'accélération des ions de façon à former un faisceau ionique convergent au niveau de l'ouverture pratiquée dans l'électrode d'accélération, les ions ont un niveau d'énergie élevé lorsqu'ils pénètrent dans la région de focalisation du faisceau électronique sur le générateur d t ions et il se produit un minimum de di divergence tandis que le faisceau d'ions à haute énergie passe à travers cette région. On comprendra mieux l'inventionelle-m4me, ainsi que dtautres buts et avantages qui s'y rattachent, en se référant à la description suivante, considérée en liaison avec les dessins annexés. La fig. 1 est une vue en coupe simplifiée d'un générateur d'ions construit selon l'invention0 La fig. 2 est une représentation graphique à échelle agrandie du nuage de vapeurs formé par l'incidence du faisceau électronique sur la source d'ions. Un générateur d'ions 10 construit selon l'invention est représenté dans la fig. 1 et comprend essentiellement une cathode filiforme 12 destinée à engendrer un faisceau électronique, lequel est focalisé sur une source métallique solide 14 avec une intensité sufgisante pour vaporiser unepartie de la source, ce qui a pour effet de produire une région 16 de vapeurs à haute densité au voisinage im médiat de la surface d'incidence de la source.La pénétration du faisceau électronique dans la région de vapeurs produit une ionisa- tion des vapeurs et les ions ainsi formés sont extraits par une électrode accélératrice 18 supportée en position centrale par des barres isolantes 20, dans une position Sntersddiaire entre la cathode t2 et la source t4, à un intervalle de la source qui est au moins égal à 50 fois le diamètre du faisceau électronique au moment où il atteint la source, afin de produire un faisceau d'ions monoénergétiques (selon ce qui sera décrit plus complètement ci-après).L'ensemble du dispo- sitif est entouré par une plaque supérieure 22 et par une paroi laté- ral. cylindrique 24 fixée rigidement à la plaque supérieure par des moyens appropriés, par exemple des vis 26 qui s'engagent dans des trous filetés 28 formés dans le rebord 30, des joints d'étanchéité 31 s' opposant à la pénétration d'air dans la chambre. L' extrémité inférieure du générateur est fixée à un dispositif utilisateur d'ions 32, par exemple un accélérateur d'ions et la cavité intérieure du géne- rateur est en communication avec le système à vide (non représenté) du dispositif 32 pour produire la dépression voulue, par exemple de 5 x 10 -5 Torr, pour un fonctionnement optimal. de la source d'électrons. En général, un vide inférieur à 10 -4 Torr est nécessaire pour une expansion sphérique de la vapeur qui se dégage par ébullition de la surface de la source 14 et pour une réduction rapide de la densi té de vapeur en fonction de la distance à partir du point d' inci- dence du faisceau électronique sur la source.L'aspiration permanen te du générateur d'ions 10 par le système à vide du dispositif utilisateur 32 a également pour rôle d'éviter la formation d'une dé charge incandescente à travers la chambre 33 de focalisation des ions du générateur, en conséquence des potentiels élevés appliqués aux électrodes0 Bien que toute source non gazeuse de faisceau électronique puis ae être utilisée pour irradier la source 14, il est préférable de faire appel à un canon à électrons comportant une cathode filiforme annulaire 12 et une anode accélératrice d'électrons 18 de forme sphérique, eu égard à l'aptitude d'un tel canon à engendrer naturellement un faisceau électronique bien focalisé à des niveaux élevés de puissance, tout en fournissant une ouverture cathodique pour le passage non destructeur du faisceau ionique engendré à travers ce canon.Une électrode 36 de focalisation d'électrons s'étend vers 1' extérieur à partir de la cathode 12, selon un arc généralement sphé- rique qui est approximativement concentrique avec la face arquée de l'électrode accélératrice 18 la plus proche de la cathode, en vue de focaliser les électrons émis par la cathode à travers une ouverture 38 formée dans l'électrode d'accélération.Bien que l'électrode 36 de focalisation des électrons soit de préférence concentrique par rapport à la face arquée de l'électrode accélératrice la plus proche de la cathode, de façon à produire des lignes de force radiales dans la région comprise entre 1x cathode 12 et l'électrode accélératrice 18, il y a lieu de noter que des modifications mineures, selon des techniques bien connues, peuvent être introduites dans la forme géométrique de l'électrode de focalisation ;; c'est ainsi que l'électro- de de focalisation peut avantageusement avoir un plus petit rayon de courbure ou une forme conique plutôt que sphérique, selon les condi tions opératoires 'voulues, pour compenser les effets de charge spa tiale et produire une contergenee des électrons engendrés dans une zone de petit diamètre sur la source 14. De mime, lorsqu'une densi ,td élevée d'ions à partir du Générateur est nécessaire, la cathode 12 peut être réalisée sour la forme d'un arc sphérique comportant une ouverture centrale pour permette le passage des ions engendrés vers le dispositif utilisateur 32. Une alimentation 40 appropriée est montée en série avec la cathode filiforme pour produire l'excitation de celle-ci et l'une des bornes de l'alimentation 40 est connectée e3QCtroiO 36 de foca- lisation d'électrons pour maintenir le potentiel de cette électrode constant par rapport au potentiel de la cathode. Selon un autre mode de réalisation, une alimentation additionnelle peut être prévue pour produire une différence de potentiel entre la source d'électrons 12 et l'électrode de focalisation 36, afin d'assurer un réglage précis de la focalisation pour compenser les tolérances de fabrication.Le potentiel de l'électrode -d'accélération 18 est fixé à une valeur positive par rapport à la cathode par une alimentation en courant continu 42, tandis qu'une seconde alimentation en courant continu 44, montée en série additive avec l'alimentation 42 sert à maintenir positive la source 14, tant par rapport à l'électrode d'accélération 18 que par rapport à la cathode 12. L'électrode accélératrice 18, maintenue on position fixe par les barres isolantes 20 à mi-distance environ entre la cathode 12 et la source 14, peut être en un quelconque métal conducteur, le molybdène étant employé avantageusement lorsque des potentiels éle vés sont utilisés pour accélérer le faisceau électronique en prove- nance de la cathode 12. Pour assurer une force radiale de focalisation des électrons engendrés et des ions formés dans une position asiale passant par l'électrode d'accélération 18, la partie centrale de cette électro de 18 a reçu une forme sphérique, l'arc sphérique 46 voisin de la source 14 étant concentrique avec l'éléctrode 34 de focalisation d' ions, tandis que l'arc sphérique 48 de la face de l'électrode accélératrice la plus voisine de la cathode 12 est concentrique par rapF port à l'arc sphérique de l'électrode 36 de focalisation des électrons.Dans l'ensemble, les parois latérales de l'ouverture 38 formée dans l'électrode accélératrice 18 sont parallèles à l'axe du faisceau électronique et l'ouverture a un diamètre qui permet le passage du faisceau électronique ans interception. La source 14 à partir de laquelle est produit le courant d' ions est située au centre géométrique de l'électrode 34 de focalisation d'ions, laquelle a en général la structure de l'électrode 36 de fo calisation.d'électrons précédemment décrite, c'est-à-dire la forme d'un arc sphérique disposé symétriquement par rapport à l'arc formé par 11 électrode 36 de focalisation d'électrons. La source elle-même est montée sur une plaque 50 rigidement fixée et connectée éleetriw quement à l'électrode 34 de focalisation d'ions qui entoure la source, au moyen de vis 48 qui permettent de remplacer ou d'échanger fa vilement les sources.Grâce à la liposition généralement symétrique de l'électrode 34 de focalisation d'ions et de l'électrode 36 de focalisation d'électrons, les ions formés par l'irradiation de la source 14 par le faisceau électronique sont focalisés par l'électro de 34 le long d'un axe qui coïncide avec l'axe du faisceau électronique et le faisceau-ionique passe successivement à travers ltouverr ture centrale formée dans 1' électrodo accélératrice, la cathode filiforme 12 et un orifice de sortie 70 dans une plaque 72 montée sur la face de 11 électrode de focalisation d'électrons a plus éloignée de la source 14.La source 14 se trouvant au centre géométrique de l'électrode 34 de focalisation d'ions, les ions formés par l'irradiation de la source par le faisceau électronique sont focalisés dès leur formation en un faisceau coaxial par rapport au faisceau électronique et une part minime des ions engendrés ont tendance à diffuser à travers la chaabre. De préférence, l'arc de l'électrode 34 s'étend sur une distance égale à 30 % au moins de l'intervalle linéaire entre la source 14 et l'électrode 18 pour maximiser la fo réalisation des ions sur une partie importante de leur parcours ae c6léré. En général, l'électrode 34 de focalisation d'dons dirige les ions produits par l'irradiation de la source 14 en un faisceau légèrement convergent au moment où les ions engendrés traversent l' ouverture 38, d'où il résulte que le faisceau ionique peut subir facilement une nouvelle focalisation rour former un point fin ou qu'il peut dtre dévié avec un minimum de dispersion dans le disposée tif utilisateur, tandis que l'orifice de sortie 70 est situé au foyer de l'électrode 34 de focalisation d'ions et, de préférence, a un diamètre inférieur au triple du diamètre du faisceau électronique sur la source 14, pour intercepter les ions dont le niveau d'énergie est inacceptable. L'électrode accélératrice 18 est placée à une distance égale au moins à 50 fois le diamètre du faisceau électronique sur la source 14, afin de produire un faisceau d'ions mono-énergétiques. Etant donné que, dans les conditions optimales, l'électrode accélératrice est placée à mi-distance entre la cathode et la source pour servir d'électrode accélératrice, tant pour les ions que pour les électrons qui la traversent, l'intervalle entre l'électrode de focalisation et la cathode filiforme 12 est de préférence égal à 50 fois au moins le diamètre du faisceau éleetronique sur la source i 4. Des conditions opératoires variables, affectant par exemple le gradient de potentiel entre la source 14 et l'électrode accéléra trice 18 ou le diamètre du faisceau sur la source 14, peuvent nécessiter une légère modification de la forme géométrique de l'électrode de focalisation d'ions : par exemple, il peut entre nécessaire de donner aux extrémités externes de l'électrode de focalisation un rayon de courbure légèrement plus petit qu'un arc sphérique, afin d'assurer que les ions qui traversent l'ouverture 38 soient légèrement convergents.Ainsi, au moment où les électrons passent dans la région comprise entre la cathode 12 et l'électrode accélératrice 18, la divergence produite par l'électrode 36 de focalisation d'électrons tend à conpenrrer la légère convergence du faisceau, pour produire un faisceau généralement parallèle à sa sortie par le centre de la cathode 12. La source 14 est en un quelconque matériau solide ou liquide électriquement conducteur qui, de préférence, est ionisé à des fins particulières. Bien que la source paisse étre sous forme de lingot, une source en feuille mince, supportée par un bloc d'un matériau ayant une température d'évaporation nettement plus élevée et une conductivité thermique relativement plus faible est en général pré érable pour limiter la perte de chaleur par la source en cours de fonctionnement.Pour éviter la contamination du faisceau d'ions, par exemple par des impuretés solides ou gazeuses du matériau de la source, la source en feuille mince doit etre une pellicule de pureté élevée, formée par des techniques de fusion sous vide. Etant donné que les barres de support de l'électrode accélératrice 18 donnent lieu à une structure ouverte, tout gaz occlus est évacué rapidement par le système à vide du dispositif utilisateur. Comme on peut le voir plus nettement dans la fig. 2, le faisceau électronique engendré par la cathode 12 est focalisé sur la source 14 avec une intensité telle qu'il produise une vaporisation d'une partie de la source, et les vapeurs diffusent vers l'extérieur en constituant une région de vapeurs 16, de forme générale hémisphérique, dans les conditions de fonctionnement sous vide du générateur d'ions 10.Typiquement, la région hémisphérique de vapeurs 16 a un rayon approximativement égal au rayon du faisceau électronique sur la surface' de la source 14, la densité de vapeurs de cette région dépendant de la densité de bombardement du faisceau électronique et de la pression de vapeur de la source qui s'évapore, Etant donné que la densité de la vapeur formée par la source qui s'évapore décroit dans le vide environnant du système avec le carré de la distance à partir de la source, la densité du nuage de vapeurs (et, par suite, le taux de formation d'ions) est réduite à 4 % environ à une distance approsimativement égale à 5 rayons du faisceau électronique à partir de la surface de la source 14.Le nombre total d'ions formés le long de la trajectoire du faisceau électronique peut entre obtenu en intégrant la densité en fonction de la distance, d'où il résulte que la quantité totale d'ions engendrés au-delà d'un rayon quelconque décrott comme la première puissance du rayon. Ainsi, 80 % des ions formés par le faisceau électronique sont situés à l'intérieur d'un arc 62 dont le rayon est approximativement égal à 5 fois le rayon du faisceau électronique sur la surface bombardée.En plaçant la face la plus proche de l'électrode accélératrice d'ions 18 à une distance minimale égale à 50 fois le diamètre du faisceau électronique sur la source 14, les ions formés à l'intérieur de l'hémisphère de vapeurs à densité relativement élevée, limité par ltarc 62, sont accélérés par un gradient de tension qui correspond à 95 ffi au moins du maximum. Padconséquent, 80 % des ions engendrés ont un niveau d'énergie qui ne s'écarte pas de la valeur moyenne de plus de 2,5 environ.Les 20 % restants d'ions à énergie plus faible, formés dans la trajectoire du faisceau électronique au-delà de l'arc 62, sont formés en position décentrée du fait de la largeur croissante du faisceau électronique et se trouvent en avant du plan focal de l'électrode de focalisation 34, d'où il résulte qu'ils ne sont pas focalisés sur l'orifice de sortie 70 et ne sortent pas du dispositif. Par suite, le faisceau émergent est constitué pour 100% par les ions formés à l'intérieur de 5 rayons du faisceau électronique à partir de la surface de la source 14 et présentent une fluctuation d'énergie de + 2,5 % par rapport à la valeur moyenne Il est du reste bien entendu que le mode de réalisation de l'invention qui a été décrit ci-dessus, en référence aux dessins an- nexés, a été donné à titre purement indicatif et nullement limitatif et que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans que l'on s'écarte pour cela du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Générateur d'ions pour la production d'un faisceau focalisé d'ions monoénergétiques, comprenant des moyens pour engendrer un faisceau électronique, une source en un matériau électriquement conducteur, des moyens pour focaliser le faisceau électronique sur la surface de ce matériau afin de vaporiser et d'ioniser une partie de celui-ci, ce générateur étant caractérisé par des moyens pour former un champ d'accélération initiale des ions pour attirer des ions à partir des vapeurs de la source vers ces moyens à champ d'accélération, et par des moyens pour focaliser ces ions dans une position intermédiaire entre la source et les moyens à champ d'accélération, de façon à former un faisceau ionique convergent au niveau des moyens à champ d'accélération initiale des ions, les moyens de focalisation des ions et les moyens de focalisation des électrons étant disposés symétriquement de manière à former les faisceaux ionique et électronique le long d'un trajet coaxial. 2. Générateur d'ions selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le champ d'accélération initial des ions est situé à un intervalle de la surface de la source frappée par les électrons qui est au moins égal à 50 fois le diamètre de ce faisceau sur la surface de la source. 3. Générateur d'ions selon la revendication 2, caractérisé en outre par une plaque disposée dans le plan focal des moyens de focalisation des ions, cette plaque comportant une ouverture en position coaxiale avec le faisceau ionique et ayant un diamètre inférieur au triple du diamètre du faisceau électronique sur la source. 40 Générateur d'ions selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend une cathode, une cible métallique, des moyens pour exciter la cathode par rapport à la cible de façon à engendrer un faisceau d'électrons entre celles-ci, et une électrode munie d' une ouverture pour accélérer les ions engendrés par le faisceau électronique, cette électrode munie d'une ouverture étant disposée circonférentiellement autour du faisceau électronique et située à un intervalle de la cible au moins égal à 50 fois le diamètre du faisceau électronique sur la cible, pour extraire des ions à partir des vapeurs de la cible en un courant sensiblemeht homogène ou monoénergétique. 5. Générateur d'ions selon la revendication 4, caractérisé en outre par une électrode de focalisation d'ions ayant la forme physique d'un arc sphérique, la cible étant située au centre géométrique de cette électrode.