Brevet FR2465310A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un appareil de ba- layage par double déviation d'un faisceau de particules chargées, et plus particulièrement, un appareil de focali- sation destiné à effectuer un balayage à double déviation d'un faisceau de particules chargées. Les dispositifs à faisceau de particules chargées comportent généralement une source de particules chargées, un tube accélérateur, une unité de séparateur ou d'analy- seur de moment et une cible. Pour obtenir une distribu- tion uniforme du faisceau de particules chargées sur la cible, ou pour réduire l'échauffement, la cible est quel- quefois déplacée par rapport à un faisceau fixe de la ma- nière décrite dans les brevets des Etats Unis d'Amérique NO 3 983 402 et 3 778 626; par ailleurs, le faisceau peut être dévié électromagnétiquement par rapport à la cible. Il y a lieu de consulter à cet égard l'article de P.D. Townsend, intitulé "Ion Implantation, Sputtering and Their Applications",pages 171 et suivantes (Academic Press 1976). De par sa nature, cette dernière solution introduit un angle d'incidence variable du faisceau sur la surface de la cible. Si la cible est une plaquette semi-conductrice traitée dans une machine d'implantation ionique, cet angle d'incidence variable peut produire des profondeurs varia- bles de pénétration, qui peuvent en outre être accentuées par les effets de formation de canaux et peuvent conduire à d'autres absences d'uniformité.; cet effet s'accentue avec le diamètre des plaquettes. Ces profondeurs variables de pénétration' sont indésirables dans les composants semi- conducteurs, (voir le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 569 757, colonne 1, lignes 20 à 59). L'angle d'incidence variable d'un faisceau de par- ticules chargées, à déviation électromagnétique, a été pra- tiquement élimine dans la technique antérieure en produi- sant une déviation du faisceau dans une direction laté6- rale par rapport à son trajet, puis une contre-déviation de ce faisceau dans le sens opposé afin d'éliminer la composante latérale de vitesse. La composante initiale de vitesse (source vers cible) n'est pas perturbée, mais les particules chargées sont déplacées latéralement. Il y a lieu de consulter à cet égard l'article de G. Dearnaley, "Ion Implantation" pages 404 à 406 (1976) et les brevets des Etats Unis d'Amérique N 3 569 767, 4 117 339, ainsi que l'article de M. Thomson "Abberations and Tolerances in a Double Deflection Electron Beam Scanning System", J. Vacuum Science and Technology, V. 12, page 1156 (1975). Dans ces systèmes à double déviation, deux plaques char- gées sont utilisées pour produire une déviation électro- statique, ou un groupe d'électro-aimants fonctionnant en mode de courant alternatif sontutilisés pour produire une déviation magnétique. Ainsi, la réalisation d'une double déviation complète impose deux paires de plaques pour la. déviation électrostatique, ou au moins une paire d'élec- tro-aimants fonctionnant en mode de courant alternatif pour une déviation magnétique. Si des déviations sont produites dans les directions x et y, deux fois plus de plaques ou d'électro-aimants sont nécessaires. Un objet de l'invention est donc de produire un - balayage à double déviation d'un faisceau de particules chargées au moyen d'un appareil de focalisation comportant un électro-aimant qui fonctionne en mode de courant con- tinu. Un autre objet de l'invention est de produire un balayage par double déviation d'un faisceau de particules chargées avec un minimum d'abérations et d'erreurs. Un autre objet encore de l'invention est d'éviter la formation de points chauds associés avec des particu- les neutres au cours du balayage à double déviation d'un faisceau de particules chargées. Un autre objet encore de l'invention est d'assurer le changement de poste d'extrémité pendant le balavgge par un faisceau de particules chargées. D'autres caractéristiques en avantages de l'inven- tion apparaîtront au coutrs de la description qui va sui- vre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatit: La figure 1 est une vue en plan d'une machine d'im- plantation ionique à deux postes d'extrémité comprenant l'appareil de focalisation selon l'invention, la figure 2 est une vue en perspective de l'appareil de focalisation selon l'invention conjointement avec la sourde d'ions, un analyseur de masse et des disques cibles, la figure 3 est une coupe horizontale des éléments d'un mode de réalisation d'un appareil de focalisation selon l'invention, la figure 3a est une coupe partielle -du, disposi- tif! qui modifie l'angle de déviation du faisceau ioni- que, et la figure 3b est une autre coupe partielle montrant la configuration des aimants parallèles, correcteurs de balayage. Un appareil destiné à effectuer un balayage à double déviation d'un faisceau de particules chargées utilise les propriétés focales ou optiques d'un aimant \ n secteur, en combinaison avec un dispositif qui produit. des variations de l'angle du faisceau de particules. Le dispositif produisant les variations angulaires reçoit un faisceau de particules chargées et en modifie l'angle, ceest-à-dire qu'il dévie le faisceau dans un plan en dé- finissant un fâisceau en éventail modulé dans le temps. Ce dispositif de déviation d'angle variable peut être électrostatique, magnétique ou mécanique. Après la varia- tion de son angle, le faisceau est introduit dans l'entre- fer entre les'p8lesd'un électro-aimant en secteur fonc- tionnant en mode de courant continu. Les propriétés fo- cales de l'électro-aimant en secteur convertissent ceau en éventail m1. odulé dans le temps en un faisceau parallèle modulé dans le temps. Le faisceau parallèle est dévié deux fois et peut être utilisé par exemple comme le faisceau frappant un substrat dans un équipe- ment d'implantation ionique. Plusieurs aimants en secteur peuvent être utilisés dans le cas de plusieurs postes d'extrémité. Comme cela a-déjà. été indiqué, il existe deux so- lutions pour délivrer des particules chargées sous une concentration uniforme à une cible. Dans un appareil d'im- plantation ionique, ces solutions tendent à délivrer une dose uniforme d'ions à une plaquette semi-conductrice., soit en balayant mécaniquement la plaquette dans le trajet d'un faisceau ionique fixe, soit en balayant électromagné- tiquement un faisceau d'ions sur la surface d'une plaquette semi-conductrice maintenue en position fixe. Dans le pre- mier cas, l'obtention d'un balayage alternatif transversal pose un problème mécanique difficile, et introduit une limitation de la vitesse de balayage en raison de l'accé- lération et de la décélération nécessairesà la fin de chaque balayage. Le balayage de la surface d'une plaquette par des moyens strictement électromagnétiques est diffi- cile car il faut que les décalages des plaques électro- statiques ou les longueurs des entrefers magnétiques soient grands pour s'adapter au balayage. Cela conduit à des champs de forte intensité, à des mauvais rendements éner- gétiques, et à des champs parasites qui, à leur tour, ont des effets indésirables. Un dispositif de balayage hybride dans lequel les meilleures caractéristiques des deux solutions sont incorporées offre- des avantages sur l'adoption de l'une ou l'autre des solutions individuelles. Si un dispositif de ce genre produit un balayage rotatif de la cible, c'est-à-dire du dispositif sur lequel la plaquette sermi-conductrice est montée, des fréquences élevées de balayage peuvent être obtenues en ce qu'il st'agit essentiellement d'une seule direction linéaire du trajet en arc de cercle de la cible tournante, pourvu que l'amplitude du balayage transversal ne soit pas trop grande. Il y a lieu deonsulter par exemple la discussion des trames de balayage dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 778 626. Le balayage transversal est une fonction modulée dans le temps qui peut être obtenue facilement par des moyens magnétiques particulièrement par un balayage magnétique à double déviation. Cela est possible car les forces de déviatioh sont appliquées aux ions mobiles dans une direction perpendiculaire à la di- rection du champ magnétique (B> et perpendiculaire à la direction de la vitesse des ions. Etant donné que la dé- viation (et la seconde déviation) se font dans le plan bi- secteur des deux entrefers, ces derniers peuvent être re- lativement réduits. Par contre, la déviation électrostati- que impose de plus larges intervalles car la force de dé- viation est appliquée dans la direction du champ électri- que (ô7 et le balayage se fait suivant la longueur de l'in- tervalle. En variante àla combinaison de balayage magnéti- que et de balayage en rotation, un premier balayage trans- versal peut-êgtre produit par des moyens magnétiques et un second balayage qui lui est perpendiculaire peut être ob- tenu par des moyens électrostatiques. Dans un cas comme dans l'autre, la cible est montée à peu près perpendicu- lairement au faisceau ionique incident ou elle est orien- tée sous un petit angle fixe par rapport à ce faisceau. L'appareil de focalisation pour le balayage à double dévia- tion selon l'invention peut donc facilement s'adapter à l'un quelconque de ces dispositifs de balayage hybride. Comme cela a été indiqué ci-dessus, un balayage à double déviation est une technique naturelle pour produire un déplacement latéral d'un faisceau d'une hauteur rai- sonnable. Les faisceaux de grande hauteur ne conviennent pas de façon idéale au balayage magnétique car les entre- fers doivent être trop larges et imposent des intensités exagérées du champ. Avec ce balayage à double déviation les intensités des champs magnétiques pour la déviation et la seconde déviation doivent être adaptées soigneuse- ment si l'uniformité de la dose est importante. Etant donné qu'en général l'uniformité de la dose des ions doit être maintenue dans des limites de 1%, une adaptation est nécessaire si des électro-aimants séparés sont utilisés. Ce problème est accentué si les électro-aimants de dévia- tion et de seconde déviation fonctionnent en courant al- ternatif. L'appareil de focalisation selon l'invention élimine partiellement ce problème car il repose sur les propriétés focales ou optiques d'un électro-aimant en secteur fonctionnant en courant continu pour la seconde déviation. (il faut noter que les électro-aimants en sec- teur fonctionnent généralement à l'inverse, c'est-à- dire dans le sens parallèle-ponctuel plutôt que dans le sens ponctuel-parallèle, mais le principe est le même.). Les propriétés focales des électro-aimants en secteur sont connues et remplissent, dans l'appareil de focalisa- tion selon l'invention, la fonction de focalisation qui sera décrite par la suite. Il y a lieu de consulter à cet égard l'article de H.A. Enge, "Déflecting Magnets" pages 203, 318 et suivantes, dans "Focusing of Charged Particles" V, II, A Septier, édition (1967). Ainsi, il suffit que l'induction dans l'électro-aimant en secteur soit réglée une fois en fonction de l'énergie et de la masse des par- ticules ioniques, et il en résulte la focalisation ponc- tuelle-parallèle. Ce phénomène est décrit par les trajec- toires représentées sur les figures. La figure 1 représente une machine 30 d'implanta- tion ionique qui comporte l'appareil de focalisation selon l'invention. Le bâti 29 supporte une source d'ions 1f, une source 12 d'alimention de la source d'ions et de fourniture de gaz, un analyseur de moment 11, et une source 14 d'alimentation à haute tension. Le double poste d'extrémité comporte des ensembles 15 et 16 à disque tour- nant et un panneau de commande 19. L'appareil de focalisa- tion selon l'invention, représenté dans le cadre 31 en pointillés, comporte un dispositif magnétique 32 destiné à appliquer un angle de déviation variable au faisceau de particules chargées, un premier électroaimant 23 en secteur, un second électro-aimant 24 en secteur et un piège 25 à particules neutres. Le piège 25-arrête et re- ceuille les particules neutres non chargées. Une source 31 de courant alternatif excite les enroulements du dis- positif magnétique 32 et une source 35 de courant continu excite à des instants successifs les deux électro-aimants 23 et-24 en secteur. Dans un autre mode de réalisation, un électro-aimant à deux entrefers remplace les deux électro-aimants en secteur. Cet électro-aimant est du type décrit dans la demande de Brevet des Etats Unis d'Amérique NI 45 035 déposée le 4 Juin 1979 au nom de Hanley. Mais l'électro-aimant à deux entrefers fonctionne dans un mode de courant continu, perpendiculairement à la direction du faisceau principal plut8t que comme un seul dispositif pour effectuer un balayage à double dé- viation. Il constitue simplement un dispositif économique et économe en énergie pour un dispositif à double dévia- tion et à deux postes d'extrémité comprenant lappareil de focalisation selon l'invention. Il suffit que les deux électro-aimants en secteur produisent-une force qui dévie a nouveau les particules par rapport à l'axe initial et- aux électro-aimants à deux entrefers, avec des polarités intrinsèques opposées dans les deux entrefers permettant aux deux champs de force produits par les électro-aimants opposés en secteur d'être dirigés vers l'axe initial. La figure 2 représente plus en détail la configura- tion de l'appareil de focalisation selon l'invention. Les faisceaux symétriques en éventail 50et 51 sont représen- tés comme des faisceaux essentiellement plans passant dans des entrefers étroits 53 et 54 entre les pôles 45 - 46 et 43 - 44 des électro-aimants en secteur. Les lon- gueurs de ces entrefers sont de l'ordre de 40 mm. Comme cela a déjà été- expliqué, lé balayage vertical est obte- nu par la rotation des disques 47"et 48. _25 Les figures 3 et 3a montrent la structure du dispo- sitif magnétique destiné à dévier d'un angle variable le faisceau de particules.chargées. Etant donné que ce faisceau qui pénètre dans l'électro-aimant 60 est.-c collimaté les dimensions de cet électro-aimant peuvent être assez réduites car les angles variables peuvent être introduits avant l'apparition d'une divergence notable du faisceau. Il est donc possible d'utiliser un électro- aimant courant, de petite dimension, avec des enroule- ments 63 et des pièces polaires 59. Les électro-aimants en secteur 61 et 62 doivent être plus grands pour s'adap- ter à la largeur des faisceaux en éventail. Ces électro- aimants en secteur sont de type courant, c'est-à-dire qu'ils permettent une focalisation parallèle-ponctuelle (ou ponctuelle-parallèle comme dans le cas présent). Les contours 66 des faces intérieures des électro- aimants, représentées sur la figure 3, sont d'une forme légèrement concave pour corriger les abérrations angu- laires de l'optique ponctuelle-parallèle. Comme le montre la figure 3b, les électro-aimants en secteur sont de type courant, avec un bobinage en fil et un noyau ferro- magnétique. Le contour 67 de la face de sortie de l'élec- tro-aimant 60 a une forme légèrement convexe pour appor- ter une correction supplémentaire aux abérrations angu- laires de l'optique ponctuelle-parallèle. Les correc- tions du second ordre apportées par les contours des pAles à l'entrée et à la sortie assurent une bonne réso- lution de masse qui est réalisée par une fente (non re- présentée) positionnée entre les aimants 61 - 62 et les disques tournante. En ce qui concerne le fonctionnement, comme le montre la figure 1, le faisceau 20 de particules chargées provenant de la source 10 traverse l'analyseur de masse 11., est dévié d'un angle variable par le dispositif mag- nétique 32 qui reçoit un courant alternatif de la source 31 de manière à produire, d'une manière commandée, une déviation ou une séparation en des faisceaux symétriques - 21 et 22 en éventail, modulés dans le temps, (représentés à titre illustratif comme sortant en même temps bien qu'en fonctionnement réel, un seul faisceau en éventail soit produit à un instant donnél ces faisceaux étant en- suite transformés par la compensation de balayage paral- lèle des électro-aimants 23 et 24 en des faisceaux paral- lèles 33 et 34 modulés dans le temps qui frappent ensuite les plaquettes semi-conductrices, par exemple des pla- quettes 18, montées sur les ensembles 15 et 16 à disque tournant. En pratique, un poste d'extrémité peut être en fonctionnement pendant que l'autre est en cours de char- gement-. Ainsi, la source 31 qui alimente le dispositif magnétique 32 est commandée par le panneau de commande 19 de manière que le faisceau en éventail approprié modulé dans le temps, soit produit pour le disque tournant qui est chargé et se trouve en position. La hauteur minimale du faisceau, c'est-à-dire la déviation au-dessus et au-dessous du plan des faisceaux en éventail dépend largement des propriétés optiques du faisceau incident. L'appareil de focalisation selon l'invention est de préférence optiquement neutre en ce qui concerne le faisceau dans la direction perpendicu- laire au faisceau en éventail, de sorte que dés forces ne sont appliquées que dans le plan de ces faisceaux. D'autres propriétés optiques peuvent être introduites si, par exemple, il y a lieu de produire délibérément la formation de canaux dans les plaquettes semi-conductrices. Cela peut se faire en modifiant les surfaces des entre- fers ou en donnant une autre forme aux faces polaires des électro-aimants en secteur. Si une hauteur spécifique du faisceau doit être obtenue, les positions relatives de l'appareil de focalisation et de l'analyseur de moment peuvent être modifiées pour défocaliser le faisceau et augmenter sa hauteur. Si un disque tournant est utilisé pour supporter les plaquettes semi-conductrices, l'action mutuelle entre le balayage en rotation d'une plaquette semi-conductrice montée sur le disque tournant 17 et le balayage transversal est comparable au balayage en trame décrit dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 778 626. Etant donné que les dimensions du dispositif magné- tique 32 de la figure 1 (42 sur la figure 2) utilisé pour modifier l'angle du faisceau sont réduites, comme cela est indiqué ci-dessus, l'énergie emmagasinée dans -les entrefers est relativement réduite. En outre, luti- lisation des propriétés optiques ou de focalisation des électro-aimants en secteur 23 et 24 de la figure 1 (pôles 43 - 44 et 45 - 46 de la figure 2) permet à ces électro-aimants de fonctionner dans un mode de courant continu, non modulé dans le temps. Il en résulte un fonc- tionnement économe en énergie, comparativement aux dis- positifs antérieurs de balayage qui comportent des élec- tro-aimants fonctionnant dans un mode de courant alter- natif. En fonctionnement, l'opérateur de la machine sélec- tionne simplement le niveau approprié de la source d'ali- mentation 35 produisant un champ magnétique dans les élec- tro-aimants 23 et 24 suffisant pour produire une compen- sation de balayage parallèle. La direction du champ dépend de la polarité de la charge des particules et doit être choisie nécessairement de manière à produire une force qui dévie à nouveau les particules vers l'axe initial du fais- ceau de particules chargées. Le champ nécessaire dépend de la masse des particules, de leur charge et de l'énergie avec laquelle elles sont accélérées. La configuration géo- métrique de l'équipement a déjà été établie en fabrication. Un -simple réglage suffit donc pour une utilisation parti- culière. RWVENDI CATIONS 1 - Appareil de focalisation pour le balayage en double déviation par un faisceau de particules chargées, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (32) des- tiné à appliquer un angle variable de déviation à un faisceau (20) de particules chargées, un dispositif de commande (31) qui attaque ledit dispositif de déviation d'angle variable de manière à produire un faisceau en éventail (21) modulé dans le temps dans des limites an- gulaires choisies, et un aimant en secteur (23) disposé en opposition et destiné à former un entrefer normal au plan dudit faisceau en éventail, pour recevoir ledit faisceau en éventail et le transformer en un faisceau parallèle (33) modulé dans le temps. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit aimant en secteur (23) est combiné avec un dispositif supplémentaire (35) produisant un champs magnétique constant et réglable dans l'entrefer dudit aimant en secteur. 3 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif (32) produisant une déviation d'angle variable d'un faisceau de particules chargées consiste en un électro-aimant (60) avec un dispositif (31) produisant un champ magnétique variable dans ledit électro-aimant. 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un autre aimant en secteur (24) destiné à recevoir un second faisceau en éventail (22) produit par ledit électro-aimant. - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit aimant en secteur (23) et ledit autre aimant en secteur (24) sont disposés symétriquement par rapport à la direction initiale dudit faisceau (20) de particules chargées. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites limites angulaires ne contiennent pas ledit axe de symétrie, de manière que des particules neutres se propagent le long dudit axe de symétrie. 7 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit aimant en secteur (23) et ledit autre aimant en secteur (24) consistent en un seul électro- aimant à deux entrefers positionné perpendiculairement à la direction dudit faisceau initial (20) de particules chargées, et produisant ledit champ magnétique constant orienté de manière à produire les forces sur ledit fais- ceau en éventail modulé dans le temps, qui dévientà nou- veau les particules vers l'axe initial du faisceau. 8 - Procédé de balayage avec un faisceau monochroma- tique de particules chargées sur un intervalle uni- dimensionnel tout en maintenant la direction dudit fais- ceau parallèle et décalé par rapport à sa direction ini- tiale, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiel- lement à dévier la direction du faisceau dans un inter- valle angulaire, a partir d'une direction initiale, et à soumettre ledit faisceau dévié à un champ magnétique indépendant du temps produit par un aimant en secteur de manière à dévier à nouveau le faisceau parallèlement à ladite direction.