Brevet FR2504727A1 — publié le 19821029

La présente invention a pour objet un dispo- sitif de traitement d'un échantillon par faisceau électronique impulsionnel Elle s'applique en parti- culier dans le traitement des couches superficielles des matériaux semiconducteurs. En effet, lorsque l'on implante par exemple dans un substrat semiconducteur, en effectuant un bom- bardement de celui-ci, des particules étrangères ou impuretés, on sait qu'il est nécessaire d'effectuer, après cette implantation, une étape connue sous le mot de recuit permettant de rendre électriquement actives les impuretés implantées et permettant de ré-arranger le réseau cristallin du substrat qui a été perturbé lors du bombardement. L'une des techniques la plus utilisée pour effectuer cette étape de recuit est de porter à une température élevée (de l'ordre de 900 à 12001 C) le substrat implanté pendant un certain temps. Une autre technique, plus récente, consiste à apporter à la surface, ou au niveau des premières couches implantées, une densité d'énergie élevée, pen- dant un temps très bref, de façon que de très hautes températures soient atteintes localement pendant ce temps Dans certains cas, les températures atteintes permettent de liquéfier les premières couches du subs- trat, ce qui permet de guérir les dommages créés lors de l'implantation. Etant donné que l'élévation de température est très localisée et de courte durée (inférieure à la milliseconde), le reste du substrat n'est pas affecté. Cet apport d'énergie à la surface ou sur les premières couches du substrat peut être réalisé, soit à l'aide d'un tir d'énergie lumineuse au moyen, par exemple d'un laser ou d'un tube éclair, soit à l'aide d'un faisceau intense de particules telles que des électrons Ces faisceaux lumineux ou de particules peuvent être des faisceaux larges ou étroits pulsés ou non, et peuvent balayer le substrat de façon à 'recui- re" celui-ci en différents points. Les dispositifs connus pour traiter des échantillons, au moyen d'un faisceau d'électrons in- tenses et pulsés, comprennent, en général une diode d'émission de champ et de plasma connue sous l'expres- sion anglo-saxonne de "field-plasma émission diode". Un tel dispositif a été représenté sur la figure 1. Ce dispositif comprend donc, une diode cons- tituée d'une cathode 2, généralement en graphite et munie de plusieurs sillons, et d'une anode 4 consti- tuée d'une anode proprement dite 4 a et d'une grille 4 b, ces deux éléments 4 a et 4 b étant portés au même potentiel Cette diode est généralement placée dans une enceinte à vide 6. De plus, ces dispositifs comprennent un gé- nérateur de haute tension 8, relié à un système de stockage d'énergie sous haute tension 10 pouvant être constitué par exemple d'une ligne coaxiale ou d'un condensateur, ainsi qu'un système 12 de déclenchement d'impulsions, relié à un interrupteur 14 par exemple du type éclateur connu sous l'expression anglo-saxonne de "Spark gap switch" Ces dispositifs comprennent, encore, un système d'amenée 16 permettant de présenter les échantillons à traiter 18 dans l'enceinte à vide 6, et des systèmes 20 permettant de mesurer la tension et le courant fournis par le générateur 6 au cours du temps L'anode proprement dite 4 a sert de support à l'échantillon 18. De tels dispositifs ont été décrits, par exemple dans un brevet américain NO 3 950 187 de Kirkpatrick intitulé "Method and apparatus involving 250472 Z pulsed-electron-beam processing of semiconductor de- vices" et dans un article du "Journal of Applied Phy- sics", vol 50, n 2 de février 1979 intitulé "Pulsed- electron-beam annealing of ion implantation damage". Dans ces dispositifs, l'application d'une tension importante entre la grille 4 b de l'anode et la cathode 2 au moyen par exemple d'un condensateur 10, chargé au préalable par le générateur 8, permet de créer un champ électrique intense au voisinage de la cathode 2 de la diode L'application de la tension de charge du condensateur 10 est assurée au moyen de l'éclateur 14 commandé par le système de déclenchement d'impulsions 12. Le champ électrique créé est intensifié au voisinage de la cathode par la présence de microprotu- bérances, connues sous le mot anglo-saxon de "whis- kers", provenant des sillons (non représentés) dont est munie la cathode Ces microprotubérances permet- tent de créer l'émission d'un champ électrique La puissance électrique ainsi fournie est telle que l'on assiste à une explosion de ces microprotubérances cor- respondant à une vaporisation explosive et à une ioni- sation de celles-ci Les microboules de plasma ainsi formées deviennent à leur tour une source d'électrons favorisant l'augmentation rapide du courant qui favo- rise elle-même l'explosion En quelques nanosecondes, chacune de ces microboules de plasma s'étend suffisam- ment pour que la cathode soit recouverte d'une gaine de plasma continue Cette gaine voit alors, par effet de détente, son épaisseur augmenter jusqu'à ce qu'elle atteigne la grille de l'anode, produisant un court- circuit de la diode connue sous l'expression anglo- saxonne de "diode-closure". Le condensateur 10 chargé par le générateur 8, continue à se décharger dans la diode La tension appliquée entre anode et cathode par le condensateur a permis, avant que n'intervienne le court-circuit, d'extraire et d'accélérer les électrons créés de façon à former un faisceau électronique intense et pulsé qui peut par exemple servir à recuire l'échantillon 18. Le fait d'utiliser dans un tel dispositif une anode proprement dite 4 a servant de support à l'échantillon 18, conduisant donc à polariser positi- vement ledit échantillon, permet aux électrons de pé- nétrer aisément dans celui-ci, tandis que les ions formés ne peuvent pas pénétrer dans l'échantillon, ceux-ci étant automatiquement repoussés On obtient bien, ainsi, un faisceau d'électrons intense et pulsé. En conséquence, le générateur de haute ten- sion 8, par l'intermédiaire du condensateur 10, sert à la fois à la création de la gaine de plasma qui sera la source des électrons et à l'extraction et accélération de ces derniers. De tels dispositifs permettent de créer des faisceaux d'électrons dont l'énergie est comprise en- tre 10 et 50 kiloélectronvolts (Ke V), dont l'intensité est de 100 à quelques milliers d'ampères par centimè- tre carré et dont la durée des impulsions est de quel- ques dizaines de nanosecondes à quelques microsecon- des. Pour de plus amples détails sur le principe de fonctionnement de tels dispositifs, on peut se ré- férer à un article du "Journal of Applied Physics", vol 45, N 06 de juin 1974 intitulé "Plasma-induced field émission and the characteristics of high-current relativistic électron flow". Ces dispositifs, de conception simple pré- sentent un certain nombre d'inconvénients Ces incon- vénients sont, en particulier: la nécessité d'engendrer brusquement une haute tension dans l'espace compris entre l'anode et la cathode dans des conditions telles que l'intensi- té doit être très importante, c'est-à-dire com- prise entre 100 et 10 000 ampères; les caractéristiques du faisceau d'électrons, c'est-à-dire son énergie et sa densité de courant ne peuvent pas être choisies indépendamment des conditions dans lesquelles est engendré le plas- ma Par exemple, si l'on désire obtenir un fais- ceau d'électrons de faible énergie, c'est-à-dire de l'ordre de 20 Ke V, il n'est pas évident que le champ électrique correspondant suffira à engen- drer la gaine de plasma; l'utilisation d'un système à très forte puissance pour engendrer le plasma, alors que la création de celui-ci ne l'exige pas. L'invention a justement pour objet un dispo- sitif de traitement d'un échantillon par faisceau électronique impulsionnel permettant de remédier à ces différents inconvénients. Le dispositif de l'invention,utilisant les mêmes principes que ceux décrits précédemment permet de séparer les deux fonctions suivantes: la création de la gaine de plasma, et l'extraction et l'accélération des électrons créés. De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif de traitement d'un échantillon par faisceau électronique du genre de ceux décrits précé- demment, mais dans lequel le tube à vide comporte trois électrodes indépendantes Ce dispositif se ca- ractérise en ce qu'il comprend, de plus: A) Un premier circuit pour créer de façon impulsion- nelle un plasma à partir de la cathode du tube à vide, ce premier circuit comprenant: a) un condensateur de capacité C 1 chargé au moyen du générateur de haute tension conti- nue, ledit condensateur étant muni d'une première et d'une deuxième armatures, b) un éclateur permettant d'initier la déchar- ge du condensateur de capacité Cl de façon à produire une impulsion de haute tension en- tre la cathode et la grille, ledit éclateur étant disposé en série avec ledit condensa- teur, et c) des moyens pour engendrer des impulsions commandant l'éclateur; et B) Un deuxième circuit pour créer entre l'anode pro- prement dite et la cathode un champ électrique permettant d'accélérer et d'extraire les élec- trons produits de façon qu'ils viennent bombarder l'échantillon, ce deuxième circuit comprenant un condensateur de capacité C 2 très supérieure à la capacité C 1, ce condensateur de capacité C 2 étant chargé au moyen du générateur de haute tension continue et pouvant se décharger par le tube à vide lui-même. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le premier circuit comprend, de plus, deux résistances R 1 et R 2, identiques reliées en série avec le condensateur de capacité C 1, de façon que l'une des bornes de la résistance R 1 soit reliée à la première armature dudit condensateur et que l'une des bornes de la résistance R 2 soit reliée à la deuxième armature dudit condensateur, l'éclateur étant, alors, relié d'une part à la première armature du condensa- teur de capacité C 1 et d'autre part à l'autre borne de la résistance R 2 et il comprend également le condensa- teur de capacité C 2 branché en parallèle avec le cir- cuit R 1 C 1 R 2. Dans ce mode de réalisation, et du fait de la valeur élevée des résistances R 1 et R 2 par rapport à l'impédance du reste du premier circuit, la tension appliquée entre cathode et grille au moment du déclen- chement de l'éclateur est la somme des tensions sto- ckées dans les condensateurs de capacité C 1 et C 2, soit deux fois la tension du générateur de tension continue. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre explicatif mais nullement limitatif, en référence aux figures annexées dans les- quelles: la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un dispositif de traitement d'échan- tillons de l'art antérieur, et la figure 2 représente schématiquement un dispositif de traitement d'échantillons conforme à l'invention. Le dispositif de l'invention, schématisé sur la figure 2, comprend entre autres un tube à dé- charge comportant, comme précédemment, une cathode 22 munie de plusieurs sillons (non représentés) et une anode 24 constituée d'une anode proprement dite 24 a et d'une grille 24 b Ce tube permet la production d'un faisceau d'électrons intenses et pulsés susceptibles de bombarder un échantillon 26 placé sur l'anode pro- prement dite 24 a qui lui sert de support L'utilisa- tion de l'anode proprement dite 24 a en tant que sup- port d'échantillon permet de polariser positivement celui-ci, ce qui produit la pénétration des électrons dans ledit échantillon et l'éloignement des ions aussi formés Les électrodes et l'échantillon sont placés dans une enceinte à vide telle que 28 Des moyens 30 sont prévus pour amener à l'intérieur de l'enceinte 28 l'échantillon 26 à traiter. Ce dispositif comprend, aussi, un généra- teur de haute tension continue 32 servant à charger sous une tension V un condensateur de capacité C 1 et un condensateur de capacité C 2 branchés en parallèle. Les capacités C 1 et C 2 sont telles que la capacité C 2 est très supérieure à la capacité C 1, c'est-à-dire que la capacité C 2 est de 10 à 50 fois plus grande que la capacité C 1. Le condensateur de capacité C 1 est, de plus, relié en série avec deux résistances R 1 et R 2 identi- ques situées de part et d'autre dudit condensateur En effet, la résistance R 1 a l'une de ses bornes connec- tée à la masse et l'autre borne à l'une des armatures du condensateur de capacité Cl, tandis que la résis- tance R 2 a l'une de ses bornes connectée à la borne positive du générateur haute tension 32 et l'autre borne à l'autre armature dudit condensateur. De plus, l'ensemble constitué des deux ré- sistances R 1 et R 2 et du condensateur de capacité C 1 peut être relié en série avec une résistance r et le condensateur de capacité C 2 peut être relié en série avec une résistance R La résistance R est très supé- rieure à la résistance r, comme on le verra ci-après dans un exemple de réalisation. Ce dispositif comprend, encore, un éclateur 34 commandé par un générateur d'impulsions 36 Cet éclateur 34 est relié d'une part à la borne positive du générateur haute tension 32 par l'intermédiaire de la résistance R et d'autre part, à l'armature du con- densateur de capacité Cl reliée à la résistance R 1. Dans le dispositif de l'invention, la catho- de 22 de la diode est reliée à la masse, la grille 24 b de l'anode est reliée à la borne de la résistance R 2 qui est reliée à l'une des armatures du condensateur de capacité C 1, et l'anode proprement dite 24 a à l'au- tre borne de la résistance R 2 par l'intermédiaire de la résistance r. J 0727 Le circuit comprenant principalement le condensateur de capacité Cl, le condensateur de capa- cité C 2 et l'éclateur 34, commandé par le générateur d'impulsions 36, constitue un circuit de faible puis- sance (C 1 étant inférieur à C 2) permettant d'engendrer un plasma en créant une vaporisation et une ionisation au voisinage de la cathode 22 La plasma est engendré par l'application aux bornes de l'espace grille-catho- de de la somme des tensions stockées dans les conden- sateurs de capacités C 1 et C 2 sous la commande de l'éclateur 34. Le circuit comprenant principalement le condensateur de capacité C 2 constitue un circuit de forte puissance permettant l'extraction et l'accélé- ration des électrons produits en créant un champ élec- trique important entre l'anode proprement dite 24 a et la cathode 22 Ce circuit, contrairement à ceux des dispositifs de l'art antérieur, ne comprend pas d'in- terrupteur ou d'éclateur, ce qui permet d'éviter les problèmes posés par la fermeture brusque du circuit de forte puissance. Le dispositif de l'invention présente un autre avantage lié à l'indépendance des deux fonc- tions, c'est-à-dire d'une part la création du plasma et d'autre part, l'extraction et l'accélération des électrons Ceci permet de choisir la tension d'extrac- tion et d'accélération sans que cela n'ait d'incidence sur la création du plasma, la puissance nécessaire étant fonction de la tension fournie par le générateur de haute tension 32 et de la valeur de la capacité C 2 du condensateur correspondant. Comme on l'a déjà dit, le fonctionnement du dispositif de l'invention est identique à celui de l'art antérieur, si ce n'est le fait que le circuit de forte puissance ne comprend pas d'interrupteur De plus, l'utilisation des deux résistances identiques R 1 et R 2 d'impédance très élevée par rapport à celles de l'éclateur 34 et des capacités C 1 et C 2 permet d'obte- nir, lorsque le générateur d'impulsions 36 déclenche l'éclateur 34 provoquant la décharge du condensateur de capacité C 1, une impulsion entre la grille 24 b de l'anode et la cathode 22 de la diode, dont la tension est double de celle fournie par le générateur haute tension 32 Ceci est lié à l'agencement des différents composants constituant le circuit de faible puissance. On va maintenant donner un exemple de réali- sation ainsi que des exemples de traitement d'échan- tillons. Le générateur haute tension permet de char- ger les condensateurs de capacités C 1 et C 2 respecti- vement de 1 et 40 nanofarads sous une tension de kilovolts Les résistances R et r sont respective- ment deux résistances de 30 Mégohms (Ma) et 2 a et les résistances R et R des résistances de 300 Ma. 1 2 Des essais de traitement d'échantillons ont été réalisés sur des plaquettes de silicium sur une surface d'environ 2,5 cm de diamètre au moyen d'une diode dont la cathode, de forme circulaire, présentait un diamètre de 2,5 cm, dont la distance entre la ca- thode et la grille était de 4 à 6 mm et dont celle entre la grille et l'anode proprement dite de 0 à 3,5 cm. L'énergie apportée pour recuire ces pla- quettes peut être contrôlée, au moyen de la tension d'accélération, ellemême contrôlée, et au moyen de la distance entre l'anode proprement dite et la grille. Cette distance permet aussi de contrôler la durée de l'impulsion De plus, l'énergie apportée dépend de la nature de la cathode En effet, la nature de la catho- de permet de contrôler la nature du plasma, donc la vitesse d'expansion, donc la durée des impulsions et donc de l'énergie apportée. il Les essais ont été réalisés avec des catho- des de graphite, d'aluminium, d'antimoine et de sili- cium, correspondant respectivement à une vitesse d'ex- pansion de 3 cm/us, de 2 cm/ls, de 1 cm/is et de 2 cm/gs. Les exemples de traitement d'échantillons décrits ci-dessus concernent un recuit d'échantillons ayant subi au préalable une implantation d'ions, mais bien entendu tout autre type de traitement peut être envisagé. D'autre part on -peut, sans sortir du cadre de l'invention, proposer des schémas différents de celui qui a été décrit; par exemple le circuit de déclenchement apte à créer le plasma entre cathode et grille, circuit à faible puissance, et le circuit d'accélération des électrons vers l'anode, circuit à forte puissance, peuvent être indépendants, comporter des générateurs haute tension distincts et/ou des in- terrupteurs distincts. REVENDICATIONS 1 Dispositif de traitement d'un échantil- lon par faisceau électronique impulsionnel du genre de ceux qui comprennent situées dans une enceinte à vide ( 28) une cathode ( 22) et une anode ( 24) constituée d'une anode proprement dite ( 24 a) et d'une grille ( 24 b), des moyens ( 30) pour amener dans ladite encein- te l'échantillon ( 26) à traiter et un générateur de haute tension continue ( 32), caractérisé en ce qu'il comprend: A) Un premier circuit pour créer de façon impulsion- nelle un plasma à partir de la cathode; B) Urn deuxième circuit pour créer entre l'anode pro- prement dite ( 24 a) et la cathode ( 22) un champ électrique permettant d'accélérer et d'extraire les électrons produits de façon qu'ils viennent bombarder l'échantillon ( 26). 2 Dispositif de traitement selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ledit premier cir- cuit comprend: a) un condensateur de capacité C 1 chargé au moyen du générateur de haute tension continue ( 32), ledit condensateur étant muni d'une première et d'une deuxième armatures, b) un éclateur ( 34) permettant d'initier la décharge du condensateur de capacité C 1 de façon à produi- re une impulsion de haute tension entre la catho- de ( 22) et la grille ( 24 b), ledit éclateur étant disposé en série avec ledit condensateur, c) des moyens pour engendrer des impulsions comman- dant l'éclateur ( 34). 3 Dispositif de traitement selon l'une au moins des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit deuxième circuit comprend un condensateur de ca- pacité C 2 très supérieure à la capacité C 1, ce conden- sateur C 2 étant chargé par un générateur de tension continue ( 32) et pouvant se décharger par le tube à vide lui-même, de façon à produire entre l'anode et la cathode ledit champ électrique. 4 Dispositif de traitement selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que le premier circuit comprend, de plus, deux résistances R 1 et R 2, reliées en série avec le condensateur de capacité C 1 de façon que l'une des bornes de la résistance R 1 soit reliée à la première armature dudit condensateur et que l'une des bornes de la résistance R 2 soit reliée à la deuxième armature dudit condensateur, l'éclateur ( 34) étant, alors, relié d'une part à la première armature du condensateur de capacité C 1 et, d'autre part, à l'autre borne de la résistance R 2 et il comprend éga- lement le condensateur de capacité C 2 branché en pa- rallèle avec le circuit Ri C 1 R 2.