Brevet FR2080511A1 — publié le 19711119

La pré-*-o>v : ;.cn a oc.ur o\r. :.x on j- cdd pgn?e*:tdar d;obtenir des m.i c rc - f a j. —u-. ;.-jr j.1 icie>. ;.. t • • • Ko- c:- i-aOi'S identiques monocnergét i p.v r, L•' ii«»tisr •; cgai-^rt. p;-xr cbiît un dispositif à implantation î oc i-"o eiè c.* ) : lr". 'rîtion est en la î-éali-saticr cclîi. r dp v'• r. >„• Pour imp-1 av.* et- «i?s ic.n* dan> ur. pt.han.ti.J lor. dans le but pï-.ni.e'. dur: nit-sjc , L: ob tention d un *fi {ai 5c r au «tk?* tout. ■.>:..i j»; di&ps^=r à u". ;• ssttrce d'ions àar.;- iaauriK' il «se pes-iN? d;icru-;.= r- :j-'incipaux dopant? dont on a b»s'oir. i i.ithiun», hen?,- Vimimïuvp» f!?e-p: Uiliaun:, Il e:-' en-uû*^ tv>* i r.- scî. cTu ■•:-■; .>-c* ■opiqu'? c : ;-r* v.ts icnc issi1^ jr pouf- ri1? >.c". •• •••.•' a-in- > s. 1 .• l M ..ai; que ier? d:-ixic seul^ .-dric'e 1 -.»•>' ep :.*u>>- w . c? crr.rM. i--*s ii*r.s aicr- c;>eté'es f-t i v« h ! 1 • 0 - rvu) ; •. ■ r ^ : ..r; i tc; i r t : ; ! . c-f.^inuE'-r.'. (de ~ îs- V à 200 i;-'V 1 r". r..u' au t:? d- 1 :ç. ft^nriiUr. les condition.-- -3 ' a 1 ms-navr.'' au ; i ; - -i.t ■ - --.ti- .•- a •. •.•r.a': 1 - dé> 3 -r r> -s pénétrer:' .jao-. i t-v sur>' ii.>ov, A * i'r>- ïf. ia Ji^rratai ? d-j doit i ri i v r ] v*u" a ii r,;'. ti-i.;'. • cr-1- • f ■•Ci*- dri i in, i-ivr- _ 3 Îd0 Îve-V, D.- 1,.; : ci" ,jr.a t:;:. ■ :ir i. êt hair'allOG, il c.sr rie-.^'-a 1,^ dr rïi *-« é»u dî* j -e. hi.n^i.ilc.., Lsrsqu^ 1 'oïi - ù f -«i ayar.t ] If'S ^ u-i-.- . ' -•.;••• . h \ i •• • - - -.-r -.; • i [-'T i-' r . . ■.!••:: • ! s:.'i 1- Ion 0.1 l'.- • • r'*/- i ■ •• , f •. •. • ,. I ; . . :! : • • Ij-; ' [ '• ' [ ! l'i,! -J ' à J>'i- teciwiqus?^ dr IIM» FC"' ou- . .• ' •:• : • - c- : . "• • . > ' i * -i î 1 •-.. il -m - hait abi c ! est •■ i.-v. 1 i : i. 1 Jcati- qu homogén»'!: r- , -, • air. , :i' r ; di '-çr^es opéraf-vïi- g^D ORlGlNA^- 70 01863 2080511 doivent se déroula- s cm s un exceil^nr ■; c; se -onda* »-e, râpa dit è de rcise en place de 1:échantillon et d7exécution de ] implant a tiens. adaptation à tous les types ti:ions, De plus, ces techniques ne doivent ai diminuer la souplesse d'utilisation de 1;implantation ionique, pat exemple permettre aisément le 5 contrôle local rle la '..onr entrât! 02 en dopants, ai gc*:ei le phénomène de canalisation des ions dans le réseau cristallin de 1 échantillon* Parmi les techniques déjà utili sé*\s, on. peut viter a réduction d:images ioniques suivant laquelle ce forme au moyen d'un fais.:eau d - ions' 1:image d:un modèle à grende échelle du circuit électrique a implanter puis on ridait cette image 10 sur 1:échantillon, le masquage par oxyde thenr Lque et photolithcgravure, le masquage par écian métallique et les dessins du circuit électrique à implanter par pinceau ionique fin commandé par un .ralvuL**eur. Toutes ces méthode s ont. des avantages qui leur sont propres mais aucune ne réunit tous les critères cités plus haut, Elles sont àcnc plus, au œoin? conmacdes. 15 Lsinvention foiirr.it on procédé et un dispositif correspondant mieux, que ceux Jt 1 :art antérieur aux exigera de la pratique, L in^ent-ion vise en parti.-yj ier à obtenir un enserati* de muro-faisceaux, parallèles;, focalisés peur- obtenir une petite sut face d-impact sur 1 'échantillon et composés d'iocs d-une seule va» ié'.é iwtopiqne c ur. même élément et œc oenergétiques. 20 Lfutilisation s © tel faisceau peur i. • implantation i^ai.jue présente de très nombreux avantages et rend cette technique cat ri*~ui ièt attent commode tJ~ rentable. A fin, is investi on picpos»- ur p-c^^de a-obtention de micto- faisceaux identiques.. parallèles» fcvalii-és i-orapoâës à ion.-; moaoènergètiques et d'une seule variété isor.opique d-un meiïie élément,, ara. té • i se en ce que, 25 sous vide ; - oc. acv-élèr-ç s-1- 03 foc ali-ve i-s inns i s*-.*•: d-one source d:ions, - m effectue une séparation iso*épique desdits aco» accélérés afin de ne conserver que des iotis d:u&e m^me -iariëté i^otopique d. aa ,-eul élément, - on transforme le faisceau d-'iens issus de ladite sépar-a-ticn. isoto-30 pique, m an faisc^a-j pa>allele et de gtaf.de -.fvtics* - on det ùape dar.s ledit fais-- eau parallèle et de grande sec tien lesdits mit ro--t ais* tau»: de pe* i.tes se* tmr - e: co 1 e: fecalise pour réduire la sur-face d? i:.;-:.-. : - ;?m>- s-.: ha?.' j. : 1 o,- , L-imef.tiirî! propose egalemer:»' un .Ji-.-.eo--iî i r a implantation ionique 35 coiB.pcrt.ant appi afj.cn duciit" procédé tarac-'êri ié t'-- qu il î-amporre successivement , BAO ORIGINAL 70 01863 3 2080511 - un premier étage délivrant un faisceau d ions de même nature et monoénergétiques et comportant une source d'ions, un système d'accélération et de focalisation desdits ions et des moyens pour effectuer une séparation isotopique desdits ions, 5 - un deuxième étage recevant le faisceau d'ions issus dudit premier étage, délivrant simultanément à sa sortie des. micro-faisceaux parallèles, identiques, de petites sections et focalisés sur un échantillon, et comportant un système rendant parallèle ledit faisceau, des moyens pour obtenir à partir dudit faisceau parallèle un faisceau d'ions de grande section 10 et parallèle, des moyens pour accélérer ou décélérer les ions dudit faisceau de grande section, des moyens pour obtenir à partir dudit faisceau de grande section lesdits micro-faisceaux identiques de petites sections et focalisés sur ledit échantillon et - des moyens de déplacement dudit échantillon. 15 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif et adapté tout spécialement à la technique d'implantation ionique. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel la figure unique représente un mode de réalisation avantageux du dispositif d'implantation ionique. 20 Les sources d'ions émettent en général un faisceau très divergent et composé d'ions comprenant toutes les variétés isotopiques de l'élément ionisé dans la source. Suivant le procédé de l'invention, toutes les opérations effectuées se déroulent sous un vide secondaire. Le faisceau divergent issu de la source d'ions est tout d'abord focalisé et les ions sont accélérés. On 25 obtient alors un faisceau convergent d'ions ayant une certaine énergie, 30 KeV par exemple, On effectue ensuite une séparation isotopique des ions à l'aide de moyens qnropriés. A la sortie du système de séparation isotopique, qui ne conserve dans le faisceau que les ions d'une seule variété isotopique d'un même élément, le faisceau est rendu parallèle. La section de ce faisceau, en 30 général très petite, est agrandie par un procédé décrit dans le brevet français n° 69 21490 ayant pour titre "Procédé et dispositif de production d'un faisceau d'ions de grande section" et dépesé le 26 juin 1969 au nom du Commissariat à 1:Energie Atomique. On dispose alors d'un faisceau parallèle et de grande section. Dans de nombreuses applications, par exemple l'implanta-35 tion ionique, les ions doivent être monoénergétiques et leurs énergies doivent également pouvoir varier en cours d'opération ce qui, dans le cas de l'implantation ionique, donne des profondeurs de pénétration des ions variables. 70 01863 4 2080511 Pour ce faix'®, les ions du faisceau parallèle et de grande section sont alors accélérés ou décêlérés suivant lsénergie que l'on désire communiquer aîsc ions, tout ea eenservaut le parallélisme du faisceau, A l'aide du faisceau parallèle, de grande section et composé d'ions d'énergie unique 5 et choisie, en forme simultanément un ensemble de micro-faisceaux parallèles et de petites sections. Le nombre et la section de ces micro-faisceaux sont à déterminer par l'expérimentateur et dépendent de l'utilisation de ces micro-faisceaux. Ceux-ci sont ensuite focalisés, sur un échantillon par exemple. 10 Sur la figure unique, qui représente un mode de réalisation avan tageux du dispositif d'implantation ionique, le dispositif représenté peut être décomposé en trois étages. Le premier étage 1 comprend une source d'ions 2 émettant un faisceau d'ions 3 divergent. Cette source d'ions 2 doit être capable d'ioniser les 15 principaux dopants dont on a besoin pour la réalisation de circuits électriques par implantation ionique dans un échantillon s lithium, bore, aluminium, phosphore, gallium, arsenic, cuivre, zinc, indium, or, etc... La source d'ions 2 est en général une source d'ions solide du "type Nielsen" ou "duoplasmatron". A l'aide d'un système 4, constitué principalement de 20 moyens électrostatiques et d'un ensemble de lentilles quadrupolaires, le faisceau d'ions divergent est rendu convergent et les ions sont accélérés, par exemple, jusqu'à une énergie voisine de 30 KeV. Un électro-aimant 5 à double focalisation dévie le faisceau d'ions d'un angle voisin de 90° et effectue une séparation isotopique des ions. Le faisceau d'ions issu 25 du premier étage 1 est donc constitué d'ions accélérés et d'une seule variété isotopique d'un même élément. Dans le deuxième étage 6, un système 7 rend parallèle le faisceau issu de l'étage 1. A l'aide d'un dispositif 8, la petite section du faisceau issu du système 7 est agrandie et le dispositif 8 délivre à sa sortie un 30 faisceau de grande section et parallèle. Le dispositif 8 peut être identique à ceux décrits dans le brevet français n° 69 21490 ayant pour titre "Procédé et dispositif de production d'un faisceau d'ions de grande section", et déposé le 26 juin 1969 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique. Un tube à champ électrique constant 9, constitué d'un empilement d'anneaux isolés 35 électriquement les uns des autres et portés à des potentiels croissants ou décroissants permet d'accélérer ou de décélérer les ions du faisceau tout 70 01863 5 2080511 en lui conservant son parallélisme. Il permet de faire varier l'énergie des iais de lOKeV à 180 KeV, donc de modifier à volonté la profondeur de pénétration des ions dans l'échantillon. A l'intérieur de ce tube 9> une légère focalisation, obtenue en donnant une forme tronconique à la paroi interne des 5 anneaux, compense l'effet de divergence dû à la charge d'espace créée par les ions de manière à conserver le parallélisme du faisceau. Dans le but de réduire les aberrations, les dimensions de ce tube à champ constant sont importantes ; elles ont été déterminées à l'aide d'un calculateur. Un système 10, identique au dispositif décrit dans la demande de brevet 10 français déposée 'œ jour au nom du Commissariat à l'Energie Atomique et ayant pour titre "Réseau de micro-lentilles électrostatiques quadrupolaires" permet à partir du faisceau parallèle d'ions monoénergétiques délivrés par le tube 9 d'obtenir un ensemble de micro-faisceaux identiques, parallèles, de petites sections et focalisés sur un échantillon. Leur nombre et leur 15 section dépendent de la surface de chacun des circuits à réaliser et de la précision souhaitée pour l'implantation ionique. Le troisième étage 11 c emporte principalement un support 12 pour l'échantillon 13 et des moyens de déplacement 14 de l'échantillon 13. Ce dernier peut être, conme dans le cas de 1'implantation ionique, m matériau 20 semiconducteur. Les moyens de déplacement 13 de l'échantillon peuvent être avantageusement commandés par un calculateur. On remarque que, dans cette technique d'implantation ionique utilisant le dispositif décrit, l'échantillon est mobile alors que les microfaisceaux sont fixes. A titre d.'exemple, la surface de l'échantillon que 25 l'on désire implanter a la forme d'un carré et ses côtés ont des longueurs voisines de 50 mm. Sur cet échantillon, on désire réaliser un grand nombre de circuits électriques élémentaires identiques ayant chacun des dimensions voisines de 1 à 2 mm. L'impact des micro-faisceaux sur l'échantillon 13 a un diamètre voisin de 1 micron. Le nombre d'ions qu'il est nécessaire > 13 30 d'implanter pour chaque point d'impact sur l'échantillon varie de 10 à 2 10 atomes/cm . Le temps d'implantation de toute la surface de l'échantillon pour un dopant déterminé est voisin de 100 s s ce temps a été déterminé afin de travailler aussi rapidement que par la méthode classique de diffusion. A partir de ces quelques données, on peuc en déduire, d'une part, 35 que l'échantillon 13 doit se déplacer de -t micron en 10 s. Cependant, plus les dimensions des micro-faisceaux sont petites, plus le déplacement de l'échantillon devra être rapide. D'autre part, l'implantation de la dose 70 01863 6 2080511 tC 2 maximale de 10 atomes/cm pour chaque point d'impact doit s'effectuer « 2 en 10" s et correspond à une densité de courant de l6mA/cm . Comme la 2 surface totale à implanter est voisine de 25 cm , il est donc nécessaire que la source d'ions fournisse un courant de 400 mA, ce qui n'est pas 5 réalisable à ce jour puisque les sources d'ions connues fournissent un courant variant de 100 à 200 micro-Ampères. H faut donc augmenter la densité de courant d'un facteur 1000 à 2000 au minimum : ceci est réalisé en focalisant les micro-faisceaux délivrés par le dispositif 10 (un microfaisceau de diamètre 200 microns est réduit à tm diamètre de 1 micron). Le 2 10 gain théorique sur la densité de courant est donc de 200 , soit 40 000, ce qui est très suffisant.- Pour un déplacement de 1 à 2 mm(dimension d'un circuit élémentaire), la précision du déplacement de l'échantillon est voisine de 0,1 micron.' Le vide dans l'étage 1 est un vide secondaire (au 6 minimum 10 Torr) alors que celui des étages 6 et 11 est ccmpris entre -7 -8 15 10 et 10 Torr. Ce dernier vide est fourni par un pcanpage ionique. Les avantages de la technique d'implantation ionique obtenus avec ce dispositif sont très nombreux. Tout d'abord, cette technique d'implantation est collective puisqu'elle permet de réaliser simultanément autant de circuits qu'il y a de micro-faisceaux (1000 ou 2000 circuits identiques 20 avec le dispositif décrit). Elle est homogène puisque toutes les opérations se déroulent sous un vide très poussé. ELle est rapide puisque la mise sous vide ne demande que 10 à 15 im l'alignement et le positionnement de l'échantillon 2 mn et le dopage avec deux types de dopants pour un échantillon 3 à 4 mm. Le dispositif s'adapte à tous les types d'ions. Cette 25 technique d'implantation est précise (précision inférieure au micron) et permet d'obtenir une direction précise d'implantation des ions par rapport à l'échantillon puisque la divergence obtenue des micro-faisceaux est voisine de 16 minutes d'angle pour une énergie des ions voisine de 150 KeV. H va sans dire que la présente invention ne se limite pas au 30 seul mode de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et que la portée du présent brevet s'étend à tout ou partie de telles dispositions, restant dans le cadre des équivalences, ainsi qu'à toutes applications de ces dispositions. 70 01863 7 2080511 REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention de micro-faisceaux parallèles sensiblement identiques, focalisés et composés d'ions sensiblement monoénergétiques et d'une variété isotopique d'un même élément, caractérisé en ce que, sous vide : 5 - on accélère et on focalise les ions issus d'une source d'ions, - on effectue une séparation isotopique desdits ions accélérés afin de ne conserver que des ions d'une même variété isotopique d'un seul élément, - on transforme le faisceau d'ions issus de ladite séparation 10 isotopique en un faisceau parallèle et de grande section, - on découpe dans ledit faisceau parallèle et de grande section lesdits micro-faisceaux de petites sections et on les focalise pour réduire la surface de leurs impacts sur un'échantillon. 2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on donne 15 auxdits ions l'énergie souhaitée en les accélérant ou les décélérant. 3. Application du procédé défini à la revendication 1 à la réalisation collective de circuits électriques par implantation ionique. 4. Application du procédé défini à la revendication 2 à la modification de la profonceur de pénétration des ions dans un échantillon. 20 5. Dispositif à implantation ionique comportant application du procédé défini à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte successivement : - un premier étage délivrant un faisceau d'ions de même nature et monoénergétiques et comportant une source d'ions, un système d'accéléra- 25 tion et de focalisation desdits ions et des moyens pour effectuer une séparation isotopique desdits ions, - un deuxième étage recevant le faisceau d'ions issu dudit premier étage, délivrant simultanément à sa sortie des micro-faisceaux parallèles identiques, de petites sections et focalisés sur un échantillon et compor-30 tant un système rendant parallèle ledit faisceau, des moyens pour obtenir à partir dudit faisceau parallèle un faisceau d'ions de grande section et parallèle, des moyens pour accélérer ou décélérer les ions dudit faisceau de grande section, des moyens pour obtenir à partir dudit faisceau de grande section lesdits micro-faisceaux identiques de petites sections et focalisés 35 sur ledit échantillon et, 70 01863 8 2080511 - des moyens de déplacement dudit échantillon. 6. Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que ladite source d'ions est une source d'ions solide d'un type appartenant au groupe comprenant le type "Nielsen" et "duoplasmatron". 5 7. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que ledit système dudit premier étage comporte des moyens électrostatiques d'accélération des ions et un ensemble de lentilles quadrupolaires. 8. Dispositif suivant la revendication 5, 6, ou 7 caractérisé en ce que lesdits moyens pour effectuer une séparation isotopique comportent un 10 électro-aimant à double focalisation. 9. Dispositif suivant la revendication 5,6, 7 ou 8 caractérisé en ce que ledit système dudit deuxième étage est un ensemble de lentilles quadrupolaires. 10. Dispositif suivant la revendication 5, 6, 7» 8 ou 9 caractérisé 15 en ce que lesdits moyens pour accélérer ou décélérer les ions dudit faisceau de grande section sont un tube électrostatique à champ électrique constant. 11. Dispositif suivant la revendication 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que lesdits moyens pour obtenir lesdits micro-faisceaux sont un réseau de micro-lentilles quadrupolaires à électrodes filiformes. 20 12. Dispositif suivant la revendication 5, 6, 7, 8, 9, 10, ou 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement de l'échantillon sont commandés à l'aide d'un calculateur. 13. Dispositif suivant la revendication 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que ledit échantillon est un matériau semi-conducteur.