Brevet FR2263028A1 — publié le 19751003

L'invention a pour objet un procédé et une installation d'implantation d'ions dans des substrats. On connait déjà des procédés et des installations pour leur mise en oeuvre dans lesquels des ions issus d'une source, comme un générateur de plasma, sont accélérés puis traités dans des étages successifs de focalisation pour fournir un faisceau d'ions à haute énergie qui est dirigé sur le substrat à implanter placé dans une enceinte sous vide, des moyens étant prévus pour le centrale de l'implantation réalisée. Ces procédés et installations sont utilises, par exemple, pour la fabrication de pastilles ou puces de semi-conducteurs, en lieu et place des procédés et appareils de diffusion thermique, ou encore pour ltexécution de traitements de surface par modification de la structure moléculaire du substrat dans lequel sont implantés les ions à des profondeurs et suivant des quantités variables, réglables par ajustement des paramètres de fonctionnement de l'installation d'implantation, comme l'énergie du faisceau d'ions, les caractéristiques géométriques et cinématiques dudit faisceau, etc.. C'est, d'une manière générale, un but de l'invention d'apporter des perfectionnements au procédé et aux installations connues qui en accroissent la fiabilité le rendement, mais aussi le caractère industriel en permettant, notamment, d'assurer le con table et le maintien dans le temps des caractéristiques de fonctionnement de l'installation propres à fournir par une fabrication en série des substrats présentant tous les mêmes caractéristiques d' implantation ionique. C'est, à cet égard, un but de l'invention de fournir un procédé et une installation permettant de façon simple, et pour tous les substrats d'une meme série, un contr8le instantané de leurs caractéristiques d'implantation, au cours meme du processus. C'est encore un but de l'invention de fournir un procédé et une installation à l'aide desquels peuvent être réglés de façon précise, préalablement au processus d'implantation proprement dit, les paramètres de fonctionnement de l'installation et qui, ainsi, permettent d'assurer, dans les conditions de tolérances requises, 1' identité d'ensemblE de substrats implantés obtenus au cours de phases successives de fonctionnement de l'installation. C'est, aussi, un but de l'invention de fournir une installa tion qui soit particulièrement bien appropriée à la fabrication industrielle de substrats à implantation ionique, par exemple des pastilles pu puces de semi-conducteurs, par un fonctionnement en continu mais qui, en outre, permette un fonctionnement de manière discontinue automatique ou non, pour l'exécution de travaux d'études ou de recherches. Le procédé selon l'invention, pour l'implantation dans un ou des substrats placés à l'intérieur d'une enceinte sous vide d'ions issus d'une source puis accélérés et focalisés suivant un faisceau dirigé sur le ou les substrats, est caractérisé en ce qu'on règlé les paramètres dudit faisceau en interposant sur son trajet, et au voisinage du substrat à implanter, un organe éclipsable sur lequel est rapporté un substrat d'essai semblable à celui à implanter et avec lequel coopèrent des moyens de mesure. Une installation selon l'invention, pour l'implantation d'ions dans un ou des substrats placés à l'intérieur d'une enceinte sous vide, comportant une source d'ions, des moyens d'accélération et de focalisation des ions issus de la source pour former un faisceau, des moyens de commande du déplacement dudit faisceau ainsi que des moyens de mesure de l'implantation ionique réalisée est caractérisée en ce qu'elle comprend au voisinage d'un support du ou des substrats à implanter, à l'entrée du faisceau dans l'enceinte sous vide, un organe éclipsable sur lequel peut être rapporté un substrat d'essai semblable au substrat à implanter, des moyens de mesure du courant engendré par l'implantation ionique dans ce substrat d'essai étant prévus de sorte que l'en- semble des paramètres de fonctionnement de l'installation peut autre réglé préalablement au traitement du ou des substrats à implanter pour obtenir pour ce ou ces derniers les mimes caracté rustiqués d'implantation que celles du substrat d'essai lorsque ledit organe est éclipsé. Selon une autre caractéristique de l'invention, les substrats à implanter sont disposés sur la surface latérale d'un tambour ou barillet dont les moyens d'entratnement, extérieurs à l'enceinte sous vide, permettent à la fois un fonctionnement continu ou discontinu de l'installation par présentation des substrats en regard du faisceau d'ions au cours d'une rotation continue du tambour ou au cours d'une rotation pas à pas de celui-ci, lesdits moyens étant en outre organisés pour permettre, à tout instant, le contrôle de l'implantation réalisée sur un substrat en cours de traitement par mesure du courant engendré par ladite implantation. L'invention sera bien comprise par la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel : la figure 1 est une vue générale, schématique, d'une enceinte propre à recevoir les substrats à implanter d'une installation selon l'invention , la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie d'un organe équipant une enceinte montrée sur la figure 1 , la figure 3 est une vue partielle, à plus grande échelle et en coupe, du tambour porte-substrats, de ses moyens moteurs et des moyens de mesure de l'implantation réalisée ; la figure 4 est une vue partielle du tambour, suivant la flèche F de la figure 3. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre la partie d'extrémité aval d'une installation d'implantation d'ions dans des substrats à l'aide d'un faisceau d'ions représenté schematiquement par la flèche fi. Ce faisceau, qui est élaboré à partir d'une source d'ions ainsi que de moyens dlaccelération et de focalisation, non représentés, peut etre commandé en balayage suivant deux axes orthogonaux à l'aide de plaques de déviation à alimentation indépendante, des moyens en soi connus étant également prévus pour l'application d'une tension continue variable sur deux plaques auxiliaires de déviation verticale pour, d'une part, éliminer les effets de contamination dus aux particules neutres et, d'autre part, assurer un centrage précis du faisceau. La chambre ou enceinte 10, dans laquelle sont placés les substrats S à implanter à l'aide du faisceau fi, et qui est munie de moyens pour faire et maintenir le vide en son intérieur, est à contour généralement circulaire avec un fond Il, une paroi latérale 12 sur laquelle est prévue une bride 13 de liaison au reste de l'installation et un couvercle,non représenté, propre à coopérer avec un retour 14 de la paroi latérale 12 avec interposition de joints d'étanchéité 15. Un hublot 16 permet d'observer l'intérieur de la chambre dont le diamètre est de l'ordre de 800 mm. Dans celle-ci est logé un tambour ou barillet 17, figures 1 et 3, propre à être entraîné en rotation de façon continue ou pas à pas, comme il sera explicité ci-après, autour de son axe 18 à l'aide de moyens moteurs 19, extérieurs à l'enceinte 10. Le tambour ou barillet 17, conformé suivant une cuvette à fond 20 et paroi latérale 21 légèrement inclinée sur le fond, comme bien visible sur la figure 3, est prévu pour recevoir dans des creusures 22 régulièrement réparties au point de vue angulaire sur sa paroi 21 les substrats S à implanter maintenus à l'aide de moyens appropriés, par exemple des crochets c pouvant être fixés dans des trous taraudés 23 de la paroi 21. Le fond 20 du tambour ou barillet 17 est avantageusement percé de trous 24 pour l'alléger, ainsi que de deux trous 25 et 26, figure 3, pour son positionnement sur une table 27, logée à l'intérieur de l'enceinte 10 et qui est solidaire en rotation, par un boulon 28, d'un axe 29.De la partie centrale de la table 27 font saillie deux plots 30 et 31 introduits dans les ouvertures 25 et 26 du barillet 17 lorsque celui-ci est mis en place, des fixations rapides 32 et 33, par exemple du type à quart de tour, assurant la solidarisation de la table et du barillet par des perforations, non représentées, que présente le fond 20 de ce dernier. La périphérie de la table 27 est garnie d'une couronne 34 sur laquelle sont ménagés, régulièrement répartis au point de vue angulaire, des trous tronconiques 35, la couronne 34 étant fixée à la table 27 par des vis 36 avec interposition d'un anneau isolant 37. L'axe 29 solidaire de la table 27 est montré dans un palier 40, en matériau électriquement isolant, par exemple en plexiglas, fixé sur le fond 11 de l'enceinte 10 par des vis 41 non traversantes. Le palier 40 présente une cheminée centrale 42, dans laquelle sont logés des joints d'étanchéité 43a et 43b coopérant avec l'axe 29, la cheminée se prolongeant à sa partie supérieure par un évidement 44 et à sa partie inférieure par un évidement 45. Dans ce dernier fait saillie l'arbre 46 d'un moteur 47, par exemple du type synchrone à grande précision de vitesse de rotation et à fort couple de démarrage et de freinage.Le moteur 47 est fixé sur le palier 40 à l'aide d'une entretoise tubulaire 48 et de boulons 49, 50, le couple moteur étant transmis de l'arbre 46 à l'axe 29 par un manchon 51 en matériau isolant solidaire, d'une part, d'une bague 52 fixée sur l'arbre 46 par une vis de pression 53 et, d'autre part, d'une bague 54 fixée sur l'axe 29 par une vis de pression 55 pouvant etre actionnée à l'aide d'un outil approprié introduit dans un forage radial 56 du palier 40. Celui-ci présente un autre forage radial 57 dans lequel est logé un dispositif 58 de mesure du courant engendré par 1' implan- tation d' ions dans un substrat S en cours de traitement. Le dispositif 58 comprend un patin 59 appliqué par un ressort 60 sur la cage externe d'un roulement 61 entourant -''axe 29, ressort qui est relié électriquement à un doigt 62 propre à être connecté à un dispositif intégrateur de courant, non représenté, qui mesure les courants de Tordre du nano-ampère engendrés par l'implantation ionique dans un substrat et qui sont acheminés, à partir dudit substrat, par le barillet 17, la table 27, lEaxe 29, le roulement 61 jusqu'au dispositif de mesure 58. Ce dernier est opératoire que le barillet soit entraîné d'un mouvement de rotation continu ou d'un mouvement de rotation pas à pas, la table 27 étant alors positionnée par des moyens 65 d'indexation comprenant un électro-aimant 66 dont l'armature 67 sollicitée par un ressort 68 est propre à coopérer avec les trous tronconiques 35 de la couronne 34. Aussi bien pour le fonctionnement pas à pas correspondant généralement à des travaux d'étude ou de recherche, que pour le fonctionnement en continu, c' est-à-dire pour l'implantation en succession de la totalité des substrats S garnissant la périphérie du barillet 17, l'invention propose, préalablement au processus d'implantation proprement dit, de régler les paramètres de fonctionnement de l'installation de manière à éviter toute modification de ces paramètres entre la phase de réglage et celle d' impact du faisceau d'ions sur le substrat à traiter.A cet effet, entre la bride 13 de l'enceinte sous vide 10 et une bride conjuguée 13' d'un tube T relié à la partie amont de l'installation, est montée une vanne à tiroir 70, figures 1 et 2, à deux clapets 71 et 72 actionnés par un vérin 73 ou analogue pour, à volonté, masquer ou démasquer un diaphragme 74 suivi d'un repousseur d'électrons secondaires 74' interposés sur le trajet du faisceau d'ions fi, à l'intérieur de la chambre ou enceinte 10.Lorsque les clapets 71 et 72 ne masquent pas le diaphragme 74, ils sont logés dans le corps 75 de la vanne 70, à la partie inférieure de celle-ci, l'actionnement du vérin 73 ou analogue provoquant, d'une part, un mouvement ascendant desdits clapets, suivant la direction de la flèche A, suivi, en fin de course, d'un mouvement d'écartement des clapets, suivant les directions des flèches B et B', pour l'application desdits clapets sur les sièges 76 et 77 du corps de vanne, application qui est suivie d'un verrouillage à l'aide de moyens non représentés, par exemple des billes ou analogues. Alors que le clapet 72 est de structure usuelle avec un joint d'étanchéité 78, le clapet 71, figure 2, ménage une creusure 79 sur sa face 80 en regard de la partie amont de l'installation, creusure dans laquelle peut autre rapporté, avec interposition d'un matériau isolant 81, un substrat d'essai ou cible 82 semblable au substrat S à implanter. Lorsque les clapets 71 et 72 sont dans la position de fermeture de la vanne 70, montrée sur la figure 1, la cible 82 coopère avec un dispositif de mesure 83, solidaire du tube T et qui comprend, fixée sur un support isolant 84, une touche 85 appliquée à pression contre ladite cible par un ressort 86, la touche étant reliée directement ou indirectement à un conducteur 87 propre à être connecté à un appareil indicateur. Le fonctionnement en continu de l'installation, pour la production d'une série de substrats implantés suivant les mêmes caractéristiques est le suivant Après mise en place sur la table 27 d'un barillet 17 garni des substrats S à implanter, l'enceinte 10 est mise puis maintenue sous vide approprié. L'intégrateur de courant qui détermine la dose d'implantation de chaque substrat est réglé à la valeur requise pour interrompre le fonctionnement de l'installation en cas de dépassement de ladite dose. La vanne 70 est fermée et, une tension continue étant appliquée aux deux plaques auxiliaires de déviation verticale, le faisceau d'ions fi est centré sur la cible 82 avantageusement homothétique, au sens géométrique, du substrat S à implanter.Le dispositif de mesure 83 permet le réglage des paramètres de fonctionnement de 1' installation en maintenant la chambre 10 isolée du reste de l'installation; lorsque ce réglage est effectué, la tension continue appliquée auxdites plaques auxiliaires est coupée, avec pour résultat une déviation électrostatique vers le haut du faisceau d'ions. La vanne 70 est alors.ouverte, par manoeuvre du vérin 73, et, dès la fin d'ouverture, la tension continue est à nouveau appliquée sur les plaques auxiliaires de déviation verticale pour ramener le faisceau d'ions vers le bas et le diriger ainsi sur le substrat à implanter. La rotation du barillet 17, préalablement déclenchée, assure le balayage horizontal du substrat par le faisceau d'ions, le balayage vertical étant sous la dépendance des plaques principales de déviation électrostatique. La vitesse de rotation du tambour est choisie de manière à éviter tout phénomène de résonance avec la fréquence de balayage vertical, et cela pour éviter des zones d'implantation préférentielles du substrat, le balayage vertical étant en outre réglé de manière telle que les points de retour du faisceau soient en dehors du substrat pour également éviter des zones d' implantation préférentielles. Après traitement de tous les substrats portés par un barillet 17, un programmateur, non représenté, et avantageusement commandé par l'intégrateur de courant, déclenche : a) l'application de la tension continue sur les deux plaques auxi liaires de déviation verticale pour défléchir le faisceau d'ions vers le haut; b) la fermeture de la vanne 70; c) 1'arrêt des dispositifs de pompage; d > la mise à la pression atmosphérique de l'enceinte 10 et le soulèvement de son couvercle pour permettre l'enlèvement du barillet de substrats implantés et la mise en place d'un nouveau barillet de substrats à implanter. Lorsque l'installation est utilisée pour des travaux d'études ou de recherches, son mode de fonctionnement est semblable à celui décrit ci-dessus, sous réserve toutefois de la mise en condition opératoire des moyens d'indexation 65 du barillet 17, moyens qui sont commandés à partir du programmateur relié à l'intégrateur de courant lors d'une rotation pas à pas automatique ou par un actionnement manuel lorsqu'on désire présenter successivement, et à volonté, l'un des substrats portés par le barillet en regard du faisceau d'ions. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour l'implantation, dans un ou des substrats placés à l'intérieur d'une enceinte sous vide, -d'ions issus d'une source puis accélérés et focalisés suivant un faisceau dirigé sur le ou les substrats à traiter, caractérisé en ce qu'on règle les paramètres du faisceau en interposant sur le trajet de celui-ci, et au voisinage du substrat à implanter, un organe éclipsable sur lequel est rapporté un substrat d'essai semblable à celui à implanter et avec lequel coopèrent des moyens de mesure. 2.- Installation pour l'implantation d'ions dans un ou des substrats placés à l'intérieur d'une enceinte sous vide, comportant une source dolions, des moyens d'accélération et de focalisation des ions issus de la source pour former un faisceau, des moyens de commande de déplacement dudit faisceau ainsi que des moyens de mesure de l'implantation ionique réalisée, caractérisée en ce qu'elle comprend au voisinage d'un support du ou des substrats à implanter, à l'entrée du faisceau dans ladite enceinte, un organe éclipsable sur lequel peut etre rapporté un substrat d'essai semblable au substrat à implanter, des moyens de mesure du courant engendré par l'implantation ionique dans ce substrat d'essai étant prévus de sorte que l'enselle des paramètres de fonctionnwent de 1' installation peut être réglé préalablement au traitement du ou des substrats à implanter pour obtenir pour c e ou ces derniers les mêmes caractéristiques d'implantation que celles du substrat d'essai lorsque ledit organe est éclipsé. 3.- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les substrats à implanter sont disposés sur la surface latérale d'un tambour ou barillet dont les moyens d'entraînement, extérieurs à 1' enceinte sous vide, permettent à la fois un fonctionnement continu ou discontinu de l'installation par présentation des substrats en regard du faisceau d'ions au cours d'une rotation continue dudit tambour ou au cours d'une rotation pas à pas de celui-ci, lesdits moyens étant en outre organisés pour permettre, à tout instant, le contrôle de l'implantation réalisée sur un substrat en cours de traitement par mesure du courant engendré par ladite implantation. 4. - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit organe éclipsable est un clapet d'une vanne tiroir disposée sur le trajet du faisceau d'ions à l'entrée de ladite enceinte sous vide. 5.- Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens dtentrainement en rotation du barillet comprennent une table solidaire d'un axe monté à rotation dans un palier en matériau électriquement isolant, ledit axe étant entraîné en rotation à partir de l'arbre de sortie d'un moteur fixé audit palier avec interposition entre ledit axe et l'arbre de sortie du moteur de moyens d'accouplement électriquement isolés. 6.- Installation selon les revendications 3 et 5, caractérisée en ce que les moyens de centrale de l'implantation réalisée comprennent un intégrateur de courant ou analogue connecté à une prise de courant traversant ledit palier électriquement isolant, ladite prise comportant un capteur coopérant avec la cage extérieure d'un roulement entourant l'axe solidaire de la table et logé dans ledit palier. 7.- Installation selon les revendications 3 et 5, caractérisée en ce qu'à la table ie support du barillet ou tambour portant les substrats à implanter sont associés des moyens d'indexation du positionnement de ladite table propres à être commandés automatiquement, à partir des moyens de mesure de courant ou, à volonté, manuellement.