Brevet FR2490873A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne un dispositif destiné à la neutralisation d'un faisceau d'ions et elle porte plus particulièrement sur un dispositif de neutralisation d'un faisceau d'ions chargé positivement par l'émission stimulée d'électrons secondaires à partir d'une matière cible fictive. On sait parfaitement dans le domaine de l'implantation ionique qu'un faisceau d'ions chargé produit une accumulation de charge sur la surface d'une cible soumise à implantation, comme par exemple une tranche de semiconducteur0 On peut faire disparattre cette charge de la surface de la tranche en plapant cette dernière sur une platine conductrice et en permettant l'écoulement d'un courant à travers la platine. Cependant, avec les matières isolantes et semiconductrices, comme celles qu'on rencontre dans la fabrication des circuits intégrés, il n'est pas possible d'utiliser ce mécanisme pour neutraliser totalement et efficacement la surface de la cible. Dans ces cas, une charge s'accumule à la surface de la matière et cette charge est de façon caractéristique positive du fait que la plupart des faisceaux d'ions sont chargés positivement. Une telle charge peut gêner la manipulation automatique des tranches, à cause de l'adhérence, elle peut donner lieu à un percement de certaines parties de circuits intégrés qui sont formés et elle peut produire une implantation non uniforme, du fait que les parties chargées de la tranche dévient le faisceau d'ions. On considère donc que la présence d'une telle charge de surface réduit les rendements de fabrication des circuits intégrés. Voir par exemple l'article de M. NAKANO & aL "Potentiel superficiel de SiO2 au cours de l'implanta- tion ionique ", Proeedings, charge storage, charge transport and Elec- trostatics with their applications, pages 210 et 211 (9-12 octobre 1977, Kyoto, Japon. Dans les installations d'implantation ionique utilisables en pratique, les faisceaux d'ions sont de façon caractéristique des faisceaux de bore, d'arsenic, de phosphore ou d'une matière analogue, chargés positivement, Par conséquent, la tentative faite pour réduire l'accumulation d'une charge sur la surface des tranches a été une tentative de fournir des électrons afin de neutraliser les espèces ioniques à l'intérieur du faisceau d'ions, Oh peut appeler cette technique "noyage par électrons". Sous sa forme fondamentale, elle consiste à appliquer des électrons sur la surface de la cible. Cependant, pour les tranches de semiconducteurs subissant une implantation, on a constaté que l'application directe d'électrons peut entraîner une contamination par le filament de la source d'électrons. Voir par exemple les brevets US 4 135 097 et 4 118 630. La technique que décrivent ces brevets consiste à établir un la écran entre la source d'électrons et la cible pour empêcher un rayonnement direct de la surface de la source vers la cible. A la place, les électrons sont introduits dans le faisceau d'une manière générale transversale, pour tenter de produire une neutralisation du faisceau. Tl n'y a pas une neutralisation des ions individuels du faisceau, mais plut8t une neutralisation effective de la charge à l'intérieur du volume du faisceau. En fait, les ions se déplacent comme des ions et les électrons se déplacent comne des électrons mais ils sont emprisonnés dans le champ positif du faisceau d'ions. Lorsque les ions et les électrons qui se trouvent dans le faisceau atteignent la surface de la cible, ilsne sont plus libresde se déplacer dans la direction du faisceau et peuvent seulement se déplacer dans le plan de la surface. Ils se déplacent dans ce plan jusqu'à ce que la neutralisation ait lieu. Avec cette technique, l'efficacité du piégeagedes électrons à l'intérieur du faisceau peut être faible, à cause de la vitesse élevée des électrons thermiques et de la faible section efficace de capture des électrons par le faisceau. Etant donné qu'il n'est pas souhaitable de projeter directement des électrons sur une tranche de semiconducteur, il demeure nécessaire de neutraliser un faisceau d'ions par certains moyens afin d'éviter l'accumulation d'une charge à la surface de la tranche soumise à implantation. Comme indiqué ci-dessus, la neutralisation n'implique normalement pas la neutralisation de chaque ion individuel, mais la neutralisation de charge d'espace du volume du faisceau d'ions. Cependant, même dans ce cas, la section efficace de capture du volume du faisceau d'ions pour les électrons est relativement faible, On peut augmenter cette section efficace en augmentant le courant du faisceau et donc en augmentant l'attraction du faisceau pour les électrons, mais ceci conduit à l'accumulation d'une charge plus forte sur le substrat. D'autre part, un ralentissement des électrons augmenterait la probabilité de piégeage. On peut donner n'importe quelle vitesse désirée aux électrons émis par des sources thermiques, mais il est souvent difficile de produire suffisamment d'électrons à partir de telles sources thermiques, avec des énergies suffisamment faibles pour produire une neutralisation effective0 L'invention a donc pour but de réaliser un dispositif destiné à améliorer la neutralisation d'un faisceau chargé positivement. L'invention a également pour but de réaliser un dispositif qui produise délibérément des électrons secondaires à partir d'une cible fictive, afin de produire suffisamment d'électrons d'une énergie telle que ces électrons soient susceptibles d'être piégés à l'intérieur d'un faisceau d'ions en mouvement chargé positivement. L'invention a également pour but d'amplifier la quantité d'électrons disponibles pour la neutralisation d'un faisceau de particules chargé positivement, en projetant un faisceau d'électrons contre une cible fictive afin de produire un rendement d'électrons secondaires supérieur a un. - L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation d'un faisceau d'ions frappant une cible, en association avec le dispositif de production d'électrons secondaires de l'invention; La figure 2 est un schéma représentatif des caractéristiques du dispositif de production d'électrons secondaires de l'invention; La figure 3 est une représentation en perspective d'une configuration de filament préférée pour le canon à électrons du dispositif de production d'électrons secondaires de l'invention La figure 4 est un graphique des énergies des électrons secondaires pour une cible en argent; et La figure 5 est un graphique montrant la diminution de potentiel sur une surface en fonction du courant d'un faisceau d'ions positifs et du faisceau d'électrons primaires qui produit des électrons secondaires. Conformément à l'invention, un dispositif destiné à améliorer la neutralisation d'un faisceau de particules chargées positivement comporte une source d'électrons primaires qui sont dirigés vers une cible fictive placée en position adjacente au faisceau d'ions. Les électrons secondaires ont une énergie faible et sont susceptibles d'être emprisonnés à l'intérieur du volume du faisceau chargé positivement. Le faisceau d'ions attire ces électrons d'énergie faible jusqu'à ce qu'une neutralisation effective du faisceau soit réalisée. Les ions présents dans le faisceau sont neutralisés individuellement lorsque le faisceau frappe la cible. Dans le matériel d'implantation ionique, il est nécessaire de maîtriser la charge d'espace du faisceau d'ions. De façon générale, la charge d'espace positive produit un étalement du faisceau au-delà des limites souhaitables. De ce fait, une technique connue consiste à produire une certaine neutralisation du faisceau à la source en fournissant un excès de gaz de la source, afin qu'après avoir été générés et au moins partiellement accélérés, les ions puissent donner lieu à interaction avec ce gaz et se neutraliser. Cependant, cette technique ne permet pas une bonne maîtrise et peut neutraliser le faisceau de façon excessive. De plus, elle n'est pas entièrement acceptable si on utilise plusieurs étages d'accélération, ce qui impose obligatoirement que le faisceau demeure ionisé en aval. En outre, un faisceau qui a été partiellement neutralisé peut manifesterune perte d'électrons dans le faisceau en propagation, à cause du passage à travers des lentilles électrostatiques ou devant des plaques de polarisation. Ainsi, en considérant la dispersion du faisceau comme l'accumulation d'une charge sur la tranche, on se trouve de façon générale devant la nécessité de neutraliser un faisceau d'ions chargé positivement au moyen d'un dispositif capable d'exercer une commande fine et de générer un courant suffisant d'électrons susceptibles d'4tre piégés. Comme le montre la figure 1, un faisceau d'ions utilisé dans un dispositif d'implantation ionique de type pratique est lgèrement divergent et de forme générale conique. Comme indiqué précédemment, la divergence est due à la répulsion interne des ions chargés positivement. Dans l'art antérieur, on a utilisé des électrons pour soumettre la cible 11, par exemple une tranche de semiconducteur, à un flux général d'électrons, ou bien, comme dans le brevet US 4 135 097, on a introduit directement des électrons dans le faisceau,' ces électrons étant piégés par le faisceau en amont de la cible. On a également neutralisé le faisceau d'ions au niveau de la source en produisant des collisions avec des molécules de gaz en excès. Dans tous ces cas, on peut maîtriser partiellement la dispersion du faisceau ou réduire l'accumulation de charge sur la surface. Le dispositif de l'invention, représenté sur les figures 1 et 2, produit une meilleure neutralisation de faisceau en générant un faisceau d'électrons primaires 12 qui frappe une cible fictive 13 et produit une distribution dispersée d'électrons secondaires 14 qui sont piégés dans le faisceau d'ions. On utilise ici le terme "électrons secondaires" pour désigner les électrons qui sont stimulés de façon à être émis par la suiVface de la cible fictive. Il s'agit de l'émission d'électrons stimulée par les électrons reçus, que l'on doit distinguer des électrons secondaires du type produit par l'implantation d'ions dans une cible. Le rendement de ces électrons secondaires est défini par le rapport entre les électrons secondaires émis 14 et les électrons incidents provenant du faisceau primaire 12. On peut sélectionner le rendement de la cible fictive en choisissant la matière de cette cible et en commandant l'énergie des électrons primaires. Voir à ce titre: A.J. Dekker, Solid State Physics, "Secondary Electron Emission", pages 418 et suivantes (1957); D.E. Gray American Institute of physics handbook, "Secondary Emission" pages 9-183 et suivantes, 3ème édition (1972). Les électrons secondaires émis se déplacent lentement en comparaison du faisceau d'électrons primaires et la plupart ont des énergies inférieures à 100 eV et ils ont donc une section efficace de capture importante dans le champ du faisceau d'ions en mouvement. Ceci est représenté sur la figure 4 pour les électrons secondaires qui sont produits en bombardant une surface d'argent avec des électrons primaires de 155 eV (ceci est extrait de l'article de A.J. Dekker mentionné ci-dessus, page 419). Les pics proches de 150 eV représentent les électrons secondaires qui sont des électrons primaires réfléchis. La grande majorité des électrons secondaires ont une énergie de quelques eV et peuvent être piégés. Le rendement des électrons secondaires peut être supérieur à un du fait qu'il fait intervenir à la fois les électrons primaires réfléchis et les électrons secondaires vrais. Comme le montre le figure 1, les électrons secondaires 14 sont dispersés et se déplacent lentement et ils sont présentés au faisceau d'ions le long d'une partie importante de sa longueur, pour faciliter ainsi le piégeage. Pour une matière donnée, il existe une relation entre le rendement des électrons secondaires et l'énergie du faisceau d'électrons incident. Il y a une énergie incidente donnant lerendement maximal qui, pour les métaux, varie d'environ 300 eV (Al) à environ 800 eV (Pt) et qui pour les oxydes s'élève jusqu'à 1100 eV (Mgo). (Voir l'article de A.J. Dekker ci-dessus, page 422). Il n'y a aucun besoin de dépasser cette énergie dans le faisceau incident, sauf s'il est nécessaire de vaincre des forces s'opposant au mouvement à proximité de la source d'électrons. On a trouvé que l'utilisation d'électrons incidents d'énergie inférieure à l'optimun peut réduire légèrement l'amélioration de la neutralisation. Cependant, on considère qu'un facteur plus important consiste dans le phénomène de charge d'espace à auto-limitation du faisceau lui-même: plus la charge positive résultante du faisceau d'ions est grande, plus les électrons neutralisateurs sont attirés fortement. Le faisceau d'ions absorbe effectivement les électrons dont il a besoin, à condition qu'ils soient disponibles. Le dispositif de l'invention fournit ces électrons en quantité suffisante avec les énergies appropriées pour qu'ils soient piégés. On ne peut pas aisément parvenir à ceci avec un faisceau d'électrons primaires du fait qu'on ne dispose pas d'un courant suffisant à des énergies suffisamment faibles, à partir de sources thermiques. Le faisceau d'électrons primaires 12 est généré par une électrode à filament 16. L'électrode à filament 16 est alimentée en courant par une source de courant de filament 21. On utilise un écran réflecteur 15 pour diriger vers la cible fictive 13, par effet électrostatique, les électrons qui sont émis par émission thermoélectronique par l'électrode à filament 16. Pour éviter que le réflecteur gêne l'émission d'électrons primaires, une source de tension de polarisation 22 maintient le réflecteur à une tension au moins aussi'négative que le potentiel des électrons émis, par rapport à la cage de Faraday 20, de façon à ne pas perturber l'émission du faisceau. Dans un mode de réalisation préféré, le réflecteur est connecté électriquement au filament. De plus, dans un mode de réalisation préféré, le filament décrit une hélice 25, comme le montre la figure 3, pour améliorer l'émission d'électrons. Comme il est bien connu dans le-domaine de l'implantation ionique, le faisceau d'ions chargé positivement 10 entre dans une cage de Faraday qui contient la platine 9 et la tranche 11 à implanter. Comme le montre la figure 2 pour l'invention, le faisceau d'électrons primaires entre dans cette région en traversant une ouverture 24. Le courant total mesuré par un amperemètre 23 représente ainsi cette contribution ainsi que la contribution du faisceau d'ions et des électrons secondaires, résultant à la fois des électrons émis par la cible fictive et des ions atteignant la tranche de semiconducteur. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de l'invention est mis en oeuvre plus en amont,sans cage de Faraday pour neutraliser le faisceau, afin d'éviter la dispersion. Les courbes de la figure 5 montrent l'efficacité du dispositif de l'invention. On a utilisé le dispositif des figures 1 et 2 en employant de l'aluminium pour L'écran. On a exposé à un faisceau d'ions positifs, ayant les courants indiqués dans la légende dans le coin supérieur droit, une surface métallique avec une résistance de 10 MXL intercalée entre cette surface et la masse. Les trois courbes en trait continu représentent le potentiel sur la surface métallique en fonction du courant (en microampéres) dans le faisceau d'électrons primaires. Le potentiel de la surface métallique est réduit presque à zéro lorsqu'un courant suffisant d'électrons primaires est fourni, comme il est indiqué en abscisse à la partie inférieure, pour stimuler l'émission à partir de la cible fictive d'un nombre approprié d'électrons secondaires pour neutraliser le faisceau. Le faisceau d'ions ayant le courant le plus élevé (300 FA, 150 keV) a également été neutralisé avec cependant un courant plus élevé d'électrons primaires, çoiMM le monte l'échelle portée en abscisse à la partie supérieure. La forme des courbes indique que la production d'électrons secondaires croit en fonction directe du courant du faisceau primaire, mais que l'incorporation dans le faisceau a lieu plus lentement lorsque le faisceau approche de la neutralité. Ceci est en accord avec le phénomène d'auto- limitation envisagé ci-dessus. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à produire une neutralisation améliorée d'un faisceau (10) d'ions positifs dans une installation d'implantation ionique, caractérisé en ce qu'il comprend: une source d'électrons (16) destinée à générer un faisceau d'électrons primaires (12); et une cible fictive (13) capable d'émettre des électrons secondaires lorsqu'elle est stimulée par le bombardement par le faisceau d'électrons primaires, cette cible fictive étant placée en position adjacente par rapport au faisceau d'ions positifs à l'intérieur de ladite installation, pour permettre aux électrons secondaires d'être piégés dans le faisceau d'ions positifs. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau d'électrons primaires (12) qui est généré par la source d'électrons (16) traverse le faisceau d'ions positifs (10) avant de frapper la cible fictive (13). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie cinétique des électrons du faisceau d'électrons primaires (12) est choisie de façon à être au moins égale à l'énergie nécessaire pour produire le rendement maximal d'émission d'électrons secondaires à partir de la cible fictive (13). 4. Dispositif selon larevendication 1, caractérisé en ce que le rendement d'émission d'électrons secondaires à partir de la cible fictive (13) est au moins égal à une 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cible fictive (13) est constituée par un métal. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le métal de la cible fictive (13) est de l'aluminium 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'électrons comprend: un filament (16) une source d'énergie électrique (21) destinée à chauffer le filament; et un écran réflecteur (15) qui est disposé de façon à réfléchir les électrons dans la direction de la cible fictive (13). 8. Dispositif selon la evendication 7, caractérisé en ce que la source d'énergie électrique (21) régule le nombre et l'énergie cinétique moyenne des électrons émis par la source d'électrons. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le filament décrit une hélice (25). 10. Procédé de neutralisation améliorée d'un faisceau (10) d'ions positifs dans une installation d'implantation ionique, caractérisé en ce que: on génère un faisceau d'électrons primaires (12); on dirige ce faisceau d'électrons primaires vers une cible fictive (13), ce qui provoque l'émission d'électrons secondaires (14) par la cible fictive; et on dirige de façon générale ces électrons secondaires vers le chemin du faisceau d'ions. 11. Procédé selon la revendication 10,caractérisé en ce que l'opération consistant à diriger de façon générale les électrons secondaires (14) s'effectue en positionnant la cible fictive (13) en position adjacente au faisceau d'ions (10).