Brevet FR2124361A1 — publié le 19720922

La présente invention concerne d'une manière générale des isolants solides et plus spécialement ceux dans lesquels ont été implantés des ions. Elle concerne en particulier la création d'une région conductrice par implantation d'ions dans un isolant. 5 Dans tout le présent mémoire descriptif, le mot "isolant" désigne une matière solide non métallique avec une résistivité apparente dépassant 10^ S-cm à la température ambiante. Les efforts antérieurs en vue de la création de régions électriquement conductrices dans des isolants ont été inefficaces étant donné les diffi-10 cultes inhérentes à l'activation ôu "dopage" d'un isolant. Ces efforts antérieurs ont été orientés principalement vers le dopage par diffusion. Le dopage désigne en général l'addition d'une faible proportion (inférieure à 1/1000} d'atomes étrangers ou d'impuretés à une matière solide pour modifier considérablement ses propriétés 15 électriques tout en laissant pratiquement inchangées ses autres propriétés. La diffusion de dopants dans une matière isolante est destinée à produire des centres d'impureté qui peuvent donner naissance à des porteurs de charge pour faire apparaître la conduction. Cependant, cette solution donne rarement de bons résultats. Il est en 20 général impossible de produire des isolants qui soient très purs et en conséquence, la concentration en impuretés résiduelles est souvent importante. Par ailleurs, la charge associée aux impuretés est souvent localisée à l'emplacement d'une impureté et par conséquent ne peut pas contribuer à la conduction. La situation est même 25 plus compliquée pour les isolants amorphes : de nombreux centres de défauts et liaisons non satisfaites contribuent à rendre impossible la mise en oeuvre de procédés de dopage classiques. Le procédé selon l'invention consiste, contrairement aux procédés de dopage, à implanter localement des ions métalliques à 30 une concentration très élevée dans l'isolant. La conduction est produite par l'interaction de ces ions implantés, soit directement, soit en liaison avec l'environnement électronique créé par l'isolant servant d'hôte. Pour faciliter la compréhension de l'invention, on peut indi-35 quer très brièvement qu'elle concerne de nouveaux produits qui consistent en une matière isolante dans laquelle sont implantés des ions métalliques dans une proportion suffisante pour créer une 72 03359 2 2124361 conductivité électrique dans le volume implanté, et un procédé de préparation de ces produits. L'invention concerne notamment un nouveau produit constitué par des ions métalliques implantés dans une matière isolante, dans 5 une proportion suffisante pour créer une conductivité électrique dans le volume d'implantation ainsi qu'un procédé d'obtention de ce résultat par projection d'un faisceau d'ions métalliques sur un substrat ou une masse isolante avec une énergie suffisante pour implanter dans cette matière isolante un nombre suffisant d'ions pour 10 modifier une région interne de l'isolant de manière qu'elle devienne électriquement conductrice. Elle concerne aussi l'évacuation des charges superficielles par application d'un film métallique sur la surface devant recevoir l'implantation, de manière que ces- charges superficielles agissent 15 comme un masque de protection des zones voisines où l'implantation est indésirable. Enfin, elle concerne un procédé de création,à l'intérieur d'un isolant, d'une région qui se comporte comme une résistance ohmi-que, et divers appareils électriques dans lesquels on tire parti 20 de la région conductrice interne à un isolant et qui constitue une partie intégrante de celui-ci, ainsi qu'une thermistance comportant une région conductrice à l'intérieur d'un substrat isolant. D'autres objets et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plu-25 sieurs exemples de réalisation, et en se référant au dessin annexé dans lequel : la figure 1 est une coupe dans un plan normal à la surface d'un substrat isolant implanté, et qui représente les connexions électriques ; 30 la figure 2 représente schématiquement le procédé selon l'in vention d'implantation d'ions dans un dispositif, avec dissipation des charges par une couche conductrice sur la surface supérieure.. la figure 3 représente schématiquement le procédé selon l'invention d'implantation d'ions dans un dispositif dans lequel 35 on emploie un faisceau d'électrons pour neutraliser les charges superficielles. 72 03359 2124361 la figure 1 représente une nouvelle résistance 10 électriquement conductrice. Elle comprend un substrat isolant 12 dans lequel on a implanté des ions métalliques dans un volume ou une région 14 (le dessin n'est pas à l'échelle). Ces ions sont im-5 plantés dans une région interne du substrat isolant avec une densité différant de quelques puissances de 10 de la densité des atomes du substrat isolant jouant le rôle d'hôte, de manière à créer une région conductrice dans l'isolant. Etant donné que cette résistance est un composant électrique 10 important, on y réalise des connexions électriques 16 et 18 en établissant des contacts en des points espacés de la région implantée. Par conséquent, un courant électrique passant du connecteur 16 au connecteur 18 traverse la région implantée. Compte tenu du fait que le reste du dispositif, c'est-à-dire le substrat isolant, n'a pas 15 subi d'implantation, il est évidemment électriquement isolant et tout le courant passe dans la région implantée. le matériau de base qui a été implanté pour créer une région électriquement conductrice est un isolant solide en verre, en alumine ou même en saphir. On notera que ces substances sont respecti-20 vement un liquide visqueux, un solide amorphe et un solide monocristallin, ce qui met en évidence la gamme étendue de matières isolantes qui peuvent être soumises avec succès à une implantation pour réaliser une résistance. On pense que d'autres isolants pourraient faire l'objet d'une implantation pour réaliser des résis-25 tances, notamment des oxydes métalliques tels que SiO^ et Co02» des nitrures métalliques tels que AIN, et des carbures métalliques tels que SiC et analogues. la figure 2 représente une résistance 20 semblable à la résistance 10. Elle comporte une masse isolante 22 et une zone d'implan-30 tation 24. la figure 2 représente cette implantation en cours, la région 24 n'existe pas au départ, l'implantation est réalisée par un faisceau d'ions métalliques 26 projeté sur la surface supérieure de la masse 22 afin d'implanter dans cette masse des ions en vue de créer la zone implantée 24. Une source classique d'ions 28 produit 35 ce faisceau. On peut balayer la zone 24 avec ce faisceau ou bien ce faisceau peut avoir des dimensions suffisantes pour réaliser en une seule fois la zone d'implantation complète 24. On peut employer 72 03359 2124361 un masque pour définir le contour de la zone d'implantation. Pour empêcher l'accumulation d'une charge superficielle électrique positive provoquée par le choc du faisceau d'ions sur la partie supérieure de la masse 22, cette partie est recouverte d'une mince cou-5 che 30 de matière électriquement conductrice. Comme on l'expose ci-après, la couche 30 peut délimiter latéralement la région d'implantation, à la place d'un masque. Un des objectifs de la couche 30 est la dissipation des charges superficielles et elle est reliée dans ce but par un conducteur 32 à la masse ou tout autre point 10 jouant le même rôle. On a observé que l'épaisseur de départ des couches métalli- o ques utilisables doit être comprise entre 50 et 150 A environ. Pour que l'implantation soit efficace, la couche de métal 30 doit être suffisamment mince pour- qu'on puisse introduire ce qu'il 15 faut dans le substrat. On introduit dans ce substrat à la fois le faisceau d'ions incident et les atomes provenant de la couche 30 de matériau électriquement conducteur . De plus, le faisceau d'ions incident provoque une pulvérisation de la surface. la présence d'un film de métal influe sur la vitesse de pulvérisation et, étant donné 20 que la dose d'ions est importante, la valeur du rapport du nombre d'ions du faisceau introduits dans le substrat à celui des ions perdus par pulvérisation est élevée. Normalement, la couche métallique 30 est suffisamment mince pour qu'au moins une partie du faisceau d'ions incident la traverse et soit implantée dans le substrat iso-25 lant, une partie de cette couche soit éliminée par pulvérisation et une partie de cette mince couche 30 soit introduite dans le substrat isolant. Au cours de l'implantation, la couche de métal 30 peut être complètement éliminée par pulvérisation et par introduction dans la masse du substrat, si bien qu'aucune couche identifiable ne 30 subsiste. Dans ce cas, la conductivité de la région d'implantation doit être suffisante pour dissiper la charge de la surface, si l'implantation doit se poursuivre. Par conséquent, il existe un compromis entre la pulvérisation et l'implantation. Tant que le film métallique continue à. 35 exister, il participe à l'implantation et à la pulvérisation. 72 03359 2124361 Enfin, quand le film métallique a disparu par pulvérisation, il se produit un équilibre entre l1implantation et la pulvérisation du substrat. Cet équilibre est fonction de 1!énergie des ions incidents et de la vitesse de pulvérisation de la masse de matière iso-5 lante 22 à laquelle se heurtent les ions incidents. Les ions pénètrent seulement sur une faible profondeur de l'ordre de quelques dizaines à centaines d'angstroms. La concentration maximale est atteinte dans une région localisée, lorsqu'un équilibre existe entre le nombre d'ions incidents et la vitesse de pulvérisation. Des con- 22 3 10 centrations maximales de 10 /cm, , par exemple, sont réalisables. Par conséquent,, le nombre minimal total d'ions qui doivent être introduits dans la surface isolante pour atteindre la concentration à saturation est de l'ordre de 100 à 1000 monocouches (c'est-à-dire 10^® ions/cm^). 15 En ce qui concerne la délimitation de la zone d'implantation, la charge de la surface par le faisceau d'ions incident provoque une réflexion des ions sauf aux endroits où cette charge superficielle est dissipée. Comme on l'a expliqué ci-dessus, on obtient ce résultat par"mise en place d'un film de métal. Etant donné que 20 l'implantation a, par conséquent, lieu seulement dans la zone où le film de métal existe et est convenablement relié à la masse pour empêcher la surface de se charger, la charge de la surface agit comme un masque. La zone d'implantation peut"être définie par ce procédé et peut être délimitée latéralement en plaçant le film 25 métallique de dissipation des charges là où l'implantation est désirée. L'effet de masque de la charge superficielle est parfaitement efficace pour délimiter latéralement les zones d'implantation. Après que le film de métal a été éliminé par pulvérisation, il y a au-dessous une zone implantée qui est suffisamment conductrice 30 pour que l'implantation continue à se produire seulement dans les zones qui étaient au-dessous du film de métal. La figure 3 représente un dispositif 34 identique au dispositif 10. A part la couche 30, il-est également identique au dispositif 20. Le dispositif 34 comporte une masse isolante 36 et une 35 zone implantée 38. Dans ce cas, la source d'ions 40 émet un faisceau 42 d'ions métalliques destinés à être projetés sur la masse 36 et à y être implantés pour produire la zone 38 d'implantation. De 72 03359 2124361 plus, le faisceau 42 peut être de dimensions suffisantes pour couvrir toute la zone d'implantation 38, ou bien il peut balayer celle-ci dans ce but. Un masque physique séparé, comportant une ouverture ayant la forme désirée,peut être employé pour délimiter latérale-5 ment la zone d'implantation. Sur la figure 3> une source 44 projette un faisceau d'électrons 46 sur la surface de la masse 36 pour neutraliser la charge superficielle créée par le faisceau d'ions 42. On empêche par ce moyen la formation d'une charge superficielle. On admet que certaines caractéristiques et dosages du faisceau 10 doivent être compris entre un minimum et un maximum pour réaliser une implantation convenable de manière à obtenir un produit avec une conductivité électrique utilisable, par opposition au caractère isolant du substrat, les exemples ci-après décrivent les conditions de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et les caractéristi-15 ques des dispositifs terminés. Exemple I On nettoie un porte-objet de microscope en verre tendre ordinaire et on le recouvre sous vide d'une couche d'or épaisse d'envi- 0 ron 100 A. On place le porte-objet ainsi enduit dans l'appareil 20 d'implantation et on relie l'enduit à la masse de l'appareil pour dissiper la charge superficielle qui serait créée dans le cas contraire par le faisceau d'implantation. On place sur le porte-objet ainsi enduit un masque qui découvre une surface témoin d'environ 1 cm2. 25 On projette un faisceau d'ions sur la surface non masquée. Ce faisceau est constitué par des ions d'antimoine, le courant moyen de faisceau est de 10 microampères pour une tension de faisceau de 10 000 Y. l'implantation dure environ 90 mn. l'équivalent d'environ a o n 1000 monocouches est déposé sur la surface, soit environ 10 ions/cm . 30 Ceci est considéré comme la dose minimale. Une région gris-bleu semi-transparente a été formée au contact de la surface du porte-objet en verre. Des contacts électriques avec les bords de ladite région gris-bleu sont réalisés par dépôt en phase vapeur d'un film métallique, la résistance superficielle de cette région est de 37 mégohms par carré, à comparer 35 à la résistance du porte-objet en verre servant de support, d'environ un million de mégohms par carré. Pendant l'implantation, le film d'or a été presque entièrement éliminé par pulvérisation ou enfon- 72 03359 2124361 cernent dans le verre, si bien qu'il n'influence pas de façon appréciable la résistance superficielle. Le ti'aitement de la masse ayant subi l'implantation par de l'eau régale pour dissoudre la couche subsistant éventuellement ne provoquait pas de variation apprécia-5 ble de la valeur de la résistance. Ceci indique aussi que la matière implantée est en fait implantée dans le verre étant donné que la zone implantée ne semble pas être plus influencée par l'eau régale que la surface non implantée du porte-objet en verre. Des essais ont montré que de l'antimoine et de l'or ont été implantés tous 10 deux. Exemple II On opère sensiblement comme dans l'exemple I en déposant un revêtement d'aluminium sur un échantillon de verre et en l'implantant avec un faisceau d'ions d'antimoine de 50 microampères sous 15 10 000 V pendant 110 mn. On crée ainsi une région grise à l'intérieur du verre. La résistivité de cette région est de 147 ohms par carré à la température ambiante et de 106 ohms par carré à 77°E. On soumet cet échantillon à une attaque chimique durant 1 mn dans de l'hydroxyde d'ammonium et sa résistance est passée, après cette at-20 taque, à 1750 ohms par carré à la température ambiante. Exemple III On prépare un substrat constitué par un monocristal de saphir et on le recouvre d'un fil d'antimoine de densité optique voisine de 0,6. On relie ce revêtement d'antimoine à la masse de 25 l'équipement et on met en place un masque convenable. On projette un faisceau d'ions d'antimoine de 50 microampères ayant une énergie 2 de 10 000 V sur la zone d'implantation de 1 cm . L'implantation dure 90 mn. Le nombre total d'ions implantés, mesuré par analyse 1 [T 2 par activation neutronique est d'environ 2x 10 /cm . L'épaisseur 30 moyenne de la zone d'implantation des ions, déterminée par le cal- o cul, est d'environ 80 A. Etant donné que le saphir contient ?2 2,5.10" mailles élémentaires d'alumine par centimètre cube, la région implantée contient au moins un atome d'antimoine pour 10 mailles'élémentaires d'alumine. Après la fixation des connecteurs, 35 une mesure de la résistivité de la couche indique 2000 mégohms par carré à la température ambiante. La zone d'implantation est chimiquement inerte, électriquement conductrice et optiquement visible 72 03359 2124361 (densité optique à 600 nanomètres : environ 0,24). Exemple IV On opère comme dans l'exemple III, en employant le même faisceau d'ions projeté sur un substrat de saphir supportant un film 5 d'antimoine plus mince et on procède à une implantation pendant 15 70 mn. Le nombre total d'ions d'antimoine implantés est de 7.10 . La résistivité superficielle de la région avec implantation est de 30 mégohms par carré à la température ambiante. Exemple V 10 On opère comme dans l'exemple IY en employant un faisceau d'ions d'antimoine de 10 microampères sous 15 000 Y, pendant 90 mn. 1G On implante ainsi 1,3.10 ions et la résistivité de la couche est de 3000 ohms par carré. On détermine le nombre d'ions implantés pour les exemples III à V, par analyse par activation neutronique. 15 Exemple YI On emploie, comme substrat, de l'alumine amorphe A^O^, et on la traite de la même manière que le monocristal de saphir de l'exemple Y. On implante de l'antimoine avec un faisceau de 30 microampères sous 12000 Y pendant 120 mn.Une mesure de la résistivité 20 de la couche à la température ambiante indique que l'implant a une résistance d'environ 1 mégohm par carré, à comparer à la valeur d'un million de mégohms par carré Les matières électriquement isolantes qui peuvent servir de substrat pour l'implantation sont le verre, l'alumine, le saphir, 25 le quartz, les oxydes réfractaires, etc. Le choix du substrat est plus une fonction des sollicitations mécaniques qu'il est appelé à subir et de 1'environnement dans lequel il doit être employé qu'une question de limitation technique. On peut citer parmi les divers types de substrats isolants, dans lesquels on peut réaliser 30 une implantation pour créer un trajet localement conducteur, les circuits intégrés à semi-conducteurs dans lesquels une couche d'oxyde métallique isolante est employée pour protéger la surface ou pour servir d'isolant. On peut citer parmi ces dispositifs ceux du type métal-oxyde-aemi-conducteur dans lesquels le matériau semi-35 conducteur est du silicium. Avec ces structures, on peut implanter un trajet conducteur local dans la couche d'oxyde métallique pour des applications électriques, par rapport au reste du circuit. Dans 72 03359 9 2124361 le cas des ensembles semi-conducteurs silicium sur saphir, on peut implanter des trajets électriquement conducteurs dans le substrat de saphir à proximité de la zone électriquement/active, de silicium dopé, ou même au-dessous, de manière qu'ils constituent une partie 5 des circuits intégrés. les matériaux d'enduction qu'on peut choisir pour évacuer le courant d'implantation sont l'or, l'antimoine, l'aluminium, le cuivre, l'argent, etc. ou des combinaisons de couches, par exemple d'or et d'antimoine, l'épaisseur du revêtement dépend dans une 10 certaine mesure du courant du faisceau d'ions, de la densité du matériau d'enduction et de la relation entre le matériau d'enduc- tion et les ions métalliques dans le faisceau d'implantation. Des o revêtements d'épaisseur comprise entre 50 et 150 A conviennent. Si le revêtement n'est pas complètement éliminé par pulvérisation pen-15 dant l'implantation, le reste peut être éliminé, si on le désire, par attaque chimique avant l'emploi. On peut citer, parmi les ions métalliques utilisables pour former les couches implantées et pour créer un trajet conducteur, les suivants:Agi Au, Sb, Al, Ou, Ga, Zn, Ca, Sn, Te, Ha, "li, K, 20 Cs, B, Bi, Th, Pt et In. Il est question de l'antimoine dans la plupart des exemples ci-dessus à cause des limitations de la source _ du faisceau d'ions considéré. Avec une source convenable de faisceau d'ions, on peut employer et implanter l'un quelconque des ions métalliques énumérés ci-dessus. Des sources convenables de faisceaux peu-25 vent facilement implanter l'un quelconque des ions ci-après : argent, or, antimoine, aluminium, cuivre et calcium. On a procédé à quelques expériences couronnées de succès avec des faisceaux d'ions gallium projetés sur des substrats de saphir, avec neutralisation par un faisceau d'électrons. 30 l'implantation d'ions dans une matière isolante est, on l'a vu, une technique énergique. Il est possible d'implanter dans le réseau de l'isolant des ions à une concentration locale très éle- 22 3 r vée. Des concentrations maximales de 10 ions/cm sont réalisables. Cela permet de créer une région implantée d'épaisseur VOi- Ci 35 sine de 100 A dont la composition chimique diffère nettement de celle du reste du substrat. Pour réaliser une implantation aussi importante, il semble qu'un courant de faisceau minimal de 10 micro 72 03359 2124361 ampères et une tension d'accélération minimale de 10 000 V soient nécessaires.Par ailleurs, l'énergie maximale nécessaire du faisceau est de 40 000 Y. On ne peut réaliser aucune implantation couronnée de succès pour des faisceaux d'énergies supérieures à cette 5 valeur, probablement à cause d'une pulvérisation excessive. On peut employer pratiquement des courants de faisceau atteignant jusqu'à 50 nA/cm . D'une manière générale, le résultat d'une telle implantation est une résistance implantée dont les caractéristiques mécaniques 10 sont très semblables à celles du substrat. On notera que,dans de nombreux cas, la valeur ohmique de ces résistances variait avec là température ; dans les exemples cités, les valeurs ohmiques indiquées sont celles à la température ambiante, sauf indication contraire . 15 II va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 72 03359 m, 2124361 REVENDICATIONS 1. Résistance électrique caractérisée en ce qu'elle comprend une masse de matière isolante dans laquelle des ions métalliques sont implantés en nombre suffisant pour permettre le passage d'un 5 courant électrique dans cette résistance. 2. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat de matière isolante a une résistivité électrique élevée en l'absence d'ions métalliques implantés et est formée par un liquide visqueux, une matière monocristalline ou une matière 10 amorphe. 3. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite matière du substrat qui a une résistivité élevée en l'absence d'ions métalliques implantés est en A120^ , Si02 , AIN, CoOg , en oxyde métallique isolant, en nitrure métallique, en carbure métal- 15 lique ou en verre. 4. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière du substrat a une résistivité électrique élevée en l'absence d'implantation et est formée de verre, de saphir ou d'alumine. 5. Résistance selon l'une quelconque des revendications 1, 3 20 et 4, caractérisée en ce que l'ion métallique implanté est choisi dans le groupe ci-aprés : Ag, Au, Sb, Al, Cu, G-a, Zn, Ca, Sn, Te, Na, Li, K, Cs, B, Bi, Th, Pt, In. 6. Résistance électrique selon l'une quelconque des revendications 1, 3 et 4, caractérisée en ce que l'ion métallique implanté 25 est de l'antimoine. 7. Résistance électrique selon l'une des revendications 1, 3, 4 et 5, caractérisée en ce que ledit ion métallique est implanté 15/3 à la concentration d'au moins 2.10 ions/cm , dans la partie électriquement conductrice du substrat implanté. 30 8. Résistance électrique selon la revendication 1, caracté risée en ce qu'au moins deux dispositifs électriquement conducteurs sont fixés à la région implantée du substrat de matière isolante. 9. Résistance électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la région du substrat en matière isolante dans 35 laquelle des ions métalliques sont implantés a une forme prédéterminée . 72 03359 « 2124361 10. Résistance électrique selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une couche de métal disposée sur la surface du substrat isolant sur laquelle des ions métalliques doivent être implantés, ladite couche métallique étant branchée de 5 manière à dissiper la charge superficielle pour que l'implantation soit réalisée uniquement dans la région dont le contour est délimité latéralement par la couche métallique. 11. Procédé de réalisation d'une résistance électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une projection d'un courant d'ions métal- 10 liques sur un substrat isolant, avec une énergie suffisante pour ions qu'une partie au moins de ces/soit implantée au-dessous de la surface dudit substrat isolant, et pendant un temps suffisant à l'implantation de suffisamment d'ions pour que la résistance électrique de la partie implantée du substrat isolant soit réduite et, en même 15 temps, dissipation du courant ionique à partir de la surface du substrat sur laquelle ce courant d'ions est projeté. 12. Procédé selon la revendication 1i, caractérisé en ce que lè courant ionique est dissipé par dépôt d'un revêtement électriquement conducteur pratiquement perméable aux ions et disposé à la sur- 20 face du substrat sur laquelle le faisceau d'ions est projeté et par raccordement électrique dudit revêtement conducteur assurant la dissipation du courant ionique. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la forme dudit revêtement est définie latéralement en fonction de 25 la forme choisie pour le contour de la zone implantée pour que la surface non recouverte du substrat acquière une charge superficielle sous l'action du faisceau d'ions incident et se comporte ainsi comme un masque du fait de l'existence de cette charge superficielle, de manière à limiter l'implantation à la seule partie 30 du substrat qui comporte un revêtement. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le courant ionique est dissipé par projection d'un faisceau d'électrons à la surface du substrat sur laquelle est projeté le faisceau d'ions, l'intensité du courant électronique étant sensiblement au 35 moins égale à celle du courant ionique. 15. A titre de produit industriel nouveau, article produit par le procédé selon la revendication 12.