Brevet FR2402301A1 — publié le 19790330

La présente invention a pour objet un appareil de micro-usinage par érosIon ionique utilisant une source de plasma. Elle trouve une application par exemple en microélectronique. Dans les dispositifs à érosion ionique connus, on utilise une source d'ions pour délivrer un faisceau ionique qui est ensuite acheminé à travers une enceinte sous vide vers le substrat à usiner. L'acheminement d'un faisceau d'ions lourds est toujours délicat, surtout si la densité ionique est élevée et cela en raison de phénomènes liés à la charge d'espace qui tend à faire éclater le faisceau. C'est la raison pour laquelle, dans de telles installations à sources d'ions, on ne maintient de forts courants ioniques qu'au prix d'une diminution de densité, obtenue soit par augmentation de la section du faisceau, soit par l'utilisation d'artifices de neutralisation (consistant par exemple en un filament émissif). Les duoplasmatrons, initialement utilisés dans cette application comme sources d'ions, ont été progressivement abandonnés, en raison de l'augmentation de l'énergie des ions qu'ils en traitaient lorsqu'on voulait utiliser de fortes densités, au profit de la source dite de Kaufman. Cette dernière est du type à décharge électrique et elle utilise une électrode d'extraction placée a' la sortie dune chambre d'expansion. On trouvera une description d'une telle source dans l'article de P.D. READER et H.R. KAUFMAN intitulé "Optimization of an electron-bombardement ion source for ion machining pplications" publié dans la revue "Journal of Vacuum Science and Technology", volume 12, n 6, Nov./Dec. 1975, pages 1344-134?. Dans une installation d'érosion ionique utilisant une telle source, pour lutter contre la divergence du faisceau d'ions dans la zone comprise entre la source et le substrat, on est amené à - former un faisceau de grande section, ce qui diminue la densité, -- utiliser un filament de neutralisation, qui est une pièce fragi le, -notainraent lorsqu'on emploie certains gaz réactifs, comme l'oxygène par exemple, - travailler à des énergies de l'ordre de 1000 eV, si l'on veut conserver un courant d'ions extraits correct, énergie qui est excessive dans biel des cas, - n'utiliser qu'une partie du faisceau d'ions pour éviter d'avoir -recours à des enceintes de traitements volumineuses et pour permettre un balayage mécanique, par la cible, de toute la sur face du faisceau. La présente invention a justement pour objet un appareil demicro-usinage qui évite ces inconvénients.A cette fin, elle propose de substituer à la source d'ions classique une source de plasma neutre et de n'effectuer l'extraction des ions dudit plasma qu'au voisinage ixtimédiat du substrat à usiner. La neutralité du plasma- evîte l'emploi de moyens auxiliaires de neutralisation et permet d'acheminer le jet plasmique à travers 1enceinte à vide sans que lion soit confronté avec les problèmes évoqués plus haut. On évite en plus de travailler avec des angles de divergence importants et l'on peut aatiliser des énergies très faibles (pouvant descendre par exemple jusqu'à 20G eV) sans que soit affectée la densité ionique. En outre, en inversait le sens du champ d'extraction au voisinage du substrat, on peut obtenir aux lieu et place du faisceau d'ions un faisceau d'électrons qui peut être utilisé avec grand profit pour desorber le substrat avant traitement. De façon plus précise, -l'invention a pour abject un appareil de micro-usinage par érosion ionique, du genre de ceux qui comprennent une enceinte sous vide comportant des moyens pour bombarder un substrat par un faisceau d'ions, caractérisé en ce que ces moyens comprennent une source de plasma délivrant un jet de plasma neutre qui transite à travers l'enceinte en direction du substrat, -et une source de tension apte à créer au voisinage du substrat un champ électrique d'extraction. De préférence, la source de tension est à polarité inversable et elle est reliée à une platine support de substrat au a une grille placée en regard du substrat. De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé qui représente schématiquement une coupe de l'installation selon l'invention. D'une manière générale, -toute source à plasma peut convenir-à la présente invention, mais on utilise de préférence une sourcé du type de celles qui fonctionnent sur le principe de l'interaction résonnante cyclotronique électronique entre une onde hyperfréquence et un gaz. On pourra trouver la description drun exemple drune source analogue dans 11 article de H. HENDEL et ai. intitulé "Plasma Acceleration by Electron Cyclotron Resonance", publié dans la revue RCA Review, juin 1965, pages 200-216, -cette source étant toutefois démunie de diaphragme puisqu'elle est destinée avant tout à la propulsion spatiale qui nésessite des énergies ioniques élevées dans un jet de plasma de forte densité. On peut également utiliser une source analogue a celle qui est décrite dans la demande de brevet n ES 71 27812 déposée par le présent demandeur le 29 juillet- 1971 pour 1,Source d' ions utilisant une cavité hyperfréquence" à condition toutefois de supprimer l'électrode d'extraction nlacée à la sortie de la cuvette d'expansion, Dans le mode de réalisation illustré sur la figure, la source de plasma comprend une chambre d'ionisation 2 constituée par un guide d'onde rectangulaire (par exemple de type WR 340) dont r extrémité supérieure est fermée par une fenetre dt étanchéi- té 4, en alumine par exemple, de forme circulaire ou rectangulaire. La fenetre est montée dans une bride de raccordement 6 comportant un joint torique 8. L'extrémité inférieure de la chambre d'-ionisation est fermée par une plaque 12 comportant en son milieu une ouverturé circulaire 14 dont le diamètre est par exemple de 1'ordre de 18mn pour un faisceau d'ions d'argon de 600 mA La chambre d'ionisation possède une hauteur qui représente une demilongueur d'onde à la fréquence de fonctionnement, de telle sorte qu'un court-circuit soit ramené au niveau de la fenetre. La chambre d' ionisation se prolonge par une chambre d'expansion 16, de section circulaire qui vient se raccorder à une enceinte de traitement 18 par une bride 20 munie d'un joint torique 22. L'enceinte 18 est maintenue sous vide grâce à des moyens de pompage 19. Des bobines B1, B2 et B3 sont disposées autour des chambres dtionisation 2 et d'expansion 16. Elles sont placées dans un récipient; 24 rempli d'huile refroidie par un serpentin 26 parcouru par de llzru. Un conduit 28 débouche dans la chambre dtionisation 2. il est parcouru par le gaz à ioniser qui provient d'un réservoir 30 Le champ électromagnétique d'excitation est fourni par un générateur 32, du type magnétron, émettant par exemple à la fréquence de 2450 MEz. Pour un courant ionique d'argon de 600 mA au niveau de la cible, la puissance de magnétron est de l'ordre de 800 W. Un isolateur 34 protège le magnétron et lion peut prévoir divers organes de mesure flan representes (colapleurs directionnels, etc.. Le substrat a traiter, qui porte la référence 40, est porté par une platine mobile 42, laquelle est reliée à une source de tension continue 46 par l'intermédiaire d'un inverseur de polarité 48. Eventuellement, une grille 44 peut être disposée en regard et à proximité immédiate du substrat et, dans ce cas, c'est cette grille qui est reliée à l'inverseur et à la source. Le fonctionnement de cet appareil est le suivant. Une pression initiale de l'ordre de 10-6 Torr est obtenue dans l'ensemble des zabres 2 et 16 et dans l'enceinte 18. L'introduction de gaz par le conduit 28 élève la pression dans la charte d'ionisation 2 a environ Torr. te champ hyperfréquence engendré par le magnétron 32 traverse la fenetre 4, pénètre dans le guide 2 et ionise le gaz contenu dans la; chambre d'ionisation 2. Les bobines B1 , B2 et B3 sont parcourues par un courant tel que l'induction magnétique B qui en résulte dans la chambre d'ionisation, satisfasse à la condition de résonance cyclotronique électronique B = f . 2# m/e e out m est la masse de l'électron, e sa charge et f la fréquence du champ hyperfréquence. Quant à la pression du gaz, elle est choisie pour que le libre parcours moyen des électrons, parallèlement au champ magnétique, -soit très supérieur au rayon de Marmot des orbites électroniques. tes électrons qui résultent de 11 ionisation du gaz se dirigent alors vers le fond de la chambre d'ionisation, franchissent l'orifice 14 et pénètrent dans la chambre d'expansion 16. Les ions sont entraides par les électrons par le mécanisme de charge d'espace. Le roule de la bobine 33 est, non seulement de créer dans la chambre d'ionisation 2, avec l'aide des bobines Bl et B2, le champ de résonance cyclotronique pour les électrons, mais aussi de créer dans la chambre d'expansion 16 un gradient de champ magnétique apte à transformer l'énergie radiale des électrons en énergie axiale, de manière à créer, dans l'enceinte 18, un jet de plasma 21 qui est ensuite dirigé vers le substrat à usiner. Le potentiel du plasma est sensiblement égal à celui de ltenveloppe extérieure de l'enceinte 18, qui est en général à la masse. Le potentiel de la cible est déterminé en grandeur par la source de tension 46 et en signe par la position de l'inverseur 48. Si le pole + de la source est réuni à l'enveloppe extérieure de l'enceinte, (et pratiquement à la masse), et le pole - à la platine, ce qui est le cas illustré sur la figure, le substrat se trouve porté à une tension négative par rapport au plasma. il en résulte un champ électrique à la surface du substrat, qui est de nature a repousser les électrons du plasma. Leur énergie ne dépassant guère 250eV, ils pourront en général etre repoussés avec une basse tension.Dans ce cas alors. seuls les ions du plasma viendront frapper le substrat avec une énergie qui sera fixée par la tension de la source 46. En revanche, -si le pôle "-" de la source est réuni à l'enveLoppe extérieure de l'enceinte et le ple "+" à la platune, ce sont les ions qui seront repoussés et seuls les électrons viendront frapper le substrat. Cette extraction de l'une ou l'autre des espèces électronique ou ionique peut s'obtenir également en utilisant la grille drèxtraction 44, reliée à la source de tension à polarité inversable On observera que, dans les deux variantes, le champ d'extraction est créé à proximité immédiate du substrat et non, comme dans l'art antérieur, au niveau de la chambre d'expan- sion,- ce qui procure les avantages déjà mentionnés. Le faisceau d'électrons peut etre réglé dans ses caractéristiques par les moyens memes qui permettent de régler les caractéristiques du faisceau d'ions : par action-sur l'énergie hyperfréquence délivrée, on fait varier sa densité et par action sur le champ magnétique délivré par la bobine Bz, on fait varier -sa section. Dans l'art antérieur, l'opération annexe de chauffage du substrat était obtenue par des moYens auxiliaires (résistances chauffantes, par exemple). Mais ces moyens alourdissaient l'installation et, de plus, résistaient mal à certains gaz réactifs que l'on pouvait etre amené à introduire dans l'enceinte. L'invention apporte donc là, en plus des avantages essentiels liés à la facilité de transfert du jet de plasma, un perfectionnement intéressant qui donne à l'appareil une grande souplesse d'emploi et lui confère une fiabilité accrue. REYENDICATIONS 1. Appareil de micro-usinage par érosion ionique, du genre de ceux qui comprennent une enceinte sous vide comportant des moyens pour bombarder un substrat par un faisceau d'ions, caractérisé en ce que ces moyens comprennent une source de plasma dëli- Virant un jet de plasma neutre qui transite à travers l'enceinte en direction du substrat et une source de tension apte à créer au voi singe du substrat un champ électrique d'extraction. -2, Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de tension est disposée entre une platine support de substrat et l'enceinte. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de tension est disposée entre une grille disposée en regard et à proximité du substrat et l'enceinte. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite source de tension est associee à un inverseur de polarité. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de plasma comprend : une chambre d!ionisation constituée par une structure hyperEréquence- (guide d'onde ou cavité résonnante) alimentée par un générateur d'onde hyperfréquence et reliée a un conduit atarrivée de gaz ; des moyens pour créer un champ magnetique continu parallèle à l'axe de la structure, la valeur dudit champ et la fréquence de l'onde hyperfréquence correspondant à la résonance cyclotronique électronique ; une chambre d'expansion prolongeant la chambre d'ionisation et communiquant avec ceLle-ci par une ouverture, et reliée à l'enceinte de traitement.