Brevet FR2519188A1 — publié le 19830701

La présente invention concerne un appareil à rayons X comprenant une cible destinée à produire des rayons X sous l'effet du bombardement par des électrons de premières parties de surface de cette cible, et des moyens destinés à diriger de l'eau de refroidissement le long de secondes parties de surfa- ce de la cible. On utilise des générateurs de rayons X dans diverses applications d'importance pratique Le domaine de la lithogra- phie par rayons X est un domaine important dans lequel on uti- lise de telles sources Un exemple de système de lithographie par rayons X utilisé pour fabriquer des structures telles que des dispositifs à semiconducteur à très haut niveau d'intégra- tion est décrit dans un article de M P Lepselter, intitulé "Scaling the Micron Barrier With X-Rays," Technical Digest 1980 IEDM, page 42 Une source de rayons X à refroidissement par eau, qui peut avantageusement être incorporée dans un tel système, est décrite par J R Maldonado, M E Poulsen, T E. Saunders, F Vratny et A Zacharias dans un article intitulé "X-Ray Lithography Source Using a Stationary Solid Pd Target," J Vac ?ci Technol, Vol 16 page 1942 ( 1979) Une telle source est également décrite dans le brevet US 4 258 262. Les chercheurs dans le domaine des rayons X ont consacré des efforts continus à tenter d'améliorer la cible en palladium décrite dans les documents précités En particu- lier, ces efforts ont consisté à essayer de concevoir une ci- ble en palladium à haute puissance particulièrement robuste, caractérisée par une excellente fiabilité, une longue durée de vie et une maintenance réduite Il est apparu qu'une source de rayons X comprenant une telle cible pourrait constituer une base importante pour la réalisation d'un système de lithogra- phie par rayons X robuste, utilisable en production, présen- tant des caractéristiques avantageuses. Conformément à l'invention, ces problèmes sont réso- lus dans un appareil à rayons X du type décrit ci-dessus, qui est caractérisé par une couche barrière pour l'hydrogène, de profondeur limitée, formée à l'intérieur de la cible et s'éten- dant à partir des secondes parties de surface. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d' un mode de réalisa- tion et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation en coupe d'une anode cible fixe à refroidissement par eau, d'un type classi- que connu dans la technique; La figure 2 représente une anode cible en cours de fabrication, comportant une couche déposée sur sa surface extérieure, conformément à une caractéristique des principes de l'invention; et Ia figure 3 montre une anode cible terminée dans laquelle est formée une couche barrière pour l'hydrogène, con- formément à l'invention. Pour donner un exemple précis, on considèrera spé- cialement ci-après un mode de réalisation particulier de l'invention qui consiste en une source de rayons X incorporée dans un système de lithographie par rayons X Il faut cepen- dant noter que la source de forte puissance fabriquée confor- mément aux principes de l'invention est également adaptée à l'utilisation dans diverses autres applications d'importance pratique, comme par exemple les études de diffraction, la ra- diographie et la tomographie. Un système de lithographie par rayons X du type dé- crit dans les documents précités comporte une anode cible fi- xe, refroidie par eau Une telle anode 10 est représentée sur la figure 1 A titre d'exemple, l'anode 10 de la figure 1 comprend un cène creux en palladium pur ou pratiquement pur, ayant une épaisseur de paroi dans la plage de 200 à 350 mi- crcmètres L'anode 10 est montée, par exemple par brasage, dans une ouverture circulaire dans un boîtier métallique cy- lindrique 12. Des électrons, désignés par des lignes en traits mixtes 13 sur la figure 1, sont projetés par une cathode an- nulaire classique (non représentée sur le dessin; voir le brevet US 4 258 262), de façon à tomber sur une partie de la surface intérieure de l'anode conique 10 Sous l'effet du bombardement par des électrons, l'anode 10 émet des rayons X qui se propagent vers le bas sur la figure 1, avec l'axe lon- gitudinal 14 pour axe central, de façon à irradier la surface supérieure d'une structure de masque pour rayons X de type classique (non représentée; voir le brevet US 4 258 262). Le refroidissement de l'anode conique classique 10 représentée sur la figure 1 est effectué en faisant circuler de l'eau dans des passages dans le boîtier 12, le long de la surface extérieure de l'anode 10, comme il est décrit en dé- tail dans le brevet US 4 258 262 précité Sur la figure 1, les flèches 16 représentent la direction de circulation de l'eau de refroidissement O Dans le cours du développement d'une anode cible de forte puissance pour la lithographie par rayons X, les inventeurs ont observé que la caractéristique de durée de vie d'une structure du type représenté sur la figure 1 était en pratique fréquemment inférieure à ce qui est exigé pour cons- tituer la base d'un système à rayons X économique et robuste, du type utilisable en production Au cours de ce développe- ment, les inventeurs ont découvert qu'une cause essentielle de défaillance ou de dégradation des performances d'une telle anode résultait de l'introduction d'hydrogène dans le cône de palladium à partir de la surface extérieure de ce cône, re- froidie par eau, et à travers cette surface. Les inventeurs ont déterminé qu'une partie des rayons X émis par l'anode cible 10 de la figure 1 donnent lieu à une interaction avec l'eau utilisée pour refroidir l'anode 10 En particulier, les rayons X qui sont dirigés dans l'eau de refroidissement produisent une dissociation d'une partie de l'eau, ce qui forme des atomes d'hydrogène libre. Des molécules de H 2 se forment à leur tour à la surface exté- rieure de l'anode 10 Une partie des molécules de H 2 diffuse dans l'anode conique 10, le long des frontières cristallines du palladium L'hydrogène qui est ainsi introduit dans l'anode forme un composé d'hydrogène et de palladium qui crée des contraintes internes importantes dans la structure cristalline du palladium Ceci conduit de façon caractéristique à des dé- formations mécaniques et des difformités physiques dans la configuration de l'anode, en particulier aux températures re- lativement élevées qu'on rencontre pendant le fonctionnement du système à puissance élevée Ceci fait souvent apparaître des fissures, des fractures cassantes et des fentes dans la structure d'anode Il en résulte que l'intégrité mécanique de la structure est dégradée, des points chauds apparaissent fréquemment dans cette structure et, en pratique, une défail- lance prématurée de l'anode se produit quelquefois. De plus, l'hydrogène qui diffuse à travers toute l'épaisseur du cône de palladium peut entrer dans la région à vide poussé qui est établie à l'intérieur de l'anode coni- que Ceci peut à son tour conduire à une dégradation impor- 1 O tante des caractéristiques de fonctionnement spécifiées du système. Conformément aux principes de l'invention, une anode cible pour rayons X de type classique est modifiée de façon à former dans celle-ci une couche constituant une barrière ef- fective pour l'hydrogène La figure 2 illustre l'opération initiale de la procédure des inventeurs pour modifier l'anode. Sur la figure 2, on voit une couche déposée 18 sur une partie principale de la surface extérieure de l'anode de palladium 10 décrite précédemment A titre d'exemple, la cou- che 18 consiste en une matière choisie dans le groupe compre- nant l'étain, le plomb, le silicium et le germanium. Conformément à une caractéristique des principes de l'invention, la couche 18 (figure 2) est de préférence en étain Pour une anode cible ayant une épaisseur T dans la plage de 200 à 350 micromètres, on dépose une couche d'étain 18 d'environ 10 à 25 micromètres d'épaisseur, sur la surface extérieure seulement du c 8 ne 10 On peut former une telle couche d'étain sur cette surface par divers moyens classiques connus dans la technique. Le placage constitue un exemple de moyens utilisa- bles pour former une couche d'étain sur le cône 10 de la fi- gure 2 En préparation de l'opération de placage, on commence de façon caractéristique par nettoyer chimiquement le cène 10, par exemple dans de l'acide éthylène-di-amino tétracétique (EDTA), puis dans un mélange de chlorure d'ammonium et d'aci- de chlorhydrique, puis à nouveau dans l'EDTA Ensuite, on masque ou on protège de toute autre manière toutes les surfa- ces du c 8 ne 10, à l'exception de celles sur lesquelles on doit déposer la couche 18 (figure 2), afin d'éviter la forma- tion d'un placage d'étain sur ces surfaces On procède ensui r te au placage du c 8 ne, par exemple dans un bain de fluorobo- rate d'étain classique On connecte le ct Ane à la borne néga- tive d'une source de courant continu Un fil (par exemple en platine) immergé dans le bain et encerclant le cone est con- necté à la borne positive de la source On établit ensuite dans le bain un courant d'environ 3 à 10 m Aparcm 2 de la surface du c 8 ne qui doit être plaquée A titre d'exemple particulier, une couche d'étain de forme granulaire de 15 micromètres d'épaisseur a été déposée sur le cone 10, comme le montre la figure 2, en environ 30 minutes avec un courant de 10 m A/cm On retire ensuite le cône étamé du bain précité, on le rince dans de l'eau désionisée et on le sèche En l'absen- ce du masque de placage précité, le cane plaqué se présente sous la forme représentée sur la figure 2 Les parties du cô- ne qui ont été masquées, comprenant une surface de rebord an- nulaire 20, demeurent non plaquées la surface de rebord 20 et une partie latérale inférieure du cone sont destinées à etre fixées, par exemple par brasage, au boîtier 12 précité. On place ensuite le c Cne plaqué de la figure 2 dans un four à vide, par exemple, à une pression de 1,3 x 10-3 Pa, ou moins. A titre d'exemple, on amène la température dans le four jus- qu'à une valeur finale dans la plage de 650 à 13000 C, sur une durée de 2 à 3 heures (Dans un exemple particulier, on a at- teint une température finale de 110000 en 2 heures) De façon caractéristique, on laisse dans le four le cône monté, à la température finale pendant environ 3 à 4 heures Selon une variante, on peut effectuer le chauffage dans un four classi- que à une température dans la plage de 650 à 13000 C, pendant une durée de 2 à 3 heures, dans une atmosphère d'un gaz iner- te tel que de l'argon ou de l'azote. Pendant l'opération de chauffage ou de recuit pré- citée, tout hydrogène éventuellement présent dans la structu- re en palladium du c 8 ne est chassé de cette structure En ou- tre, pendant l'opération de chauffage, des parties importan- tes de l'étain plaqué initialement sur la surface du c 8 ne diffusent dans une partie de profondeur limitée située sous la surface du c 8 ne, et forment dans cette région un alliage ou un ou plusieurs composés d'étain et de palladium (en par- ticulier Pd 3 Sn) La surface du cône qui a été plaquéeprécé- demment est laissée dans son état lisse initial, ce qui fa- clite la circulation de l'eau de refroidissement sur cette surface lorsque la cible modifiée est utilisée dans une sour- ce de rayons X de forte puissance. Une partie de l'étain plaqué se vaporise pendant l'opération de chauffage mentionnée précédemment De plus, une partie de l'étain se déplace le long des frontières de grains du palladium et atteint effectivement la surface inté- rieure du co Ane Cependant, ultérieurement, pendant le nettoya- ge et encore plus tard pendant le bombardement initial par des électrons et le chauffage, l'étain est effectivement chas- sé de la surface intérieure du c 6 ne, jusqu'à une profondeur d'au moins 1 micromètre De plus, l'aire de ces apparitions de frontières de grain à la surface intérieure du c 6 ne est négligeable par rapport à l'aire de la surface principale du palladium Pour ces raisons, les électrons incidents qui sont dirigés vers la surface intérieure ne "voient" que du palla- dium pur. Dans un exemple particulier dans lequel l'épaisseur initiale t (figure 2) de la couche d'étain plaquée était d'en- viron 10 micromètres et l'épaisseur T (figure 2) du cône de palladium 10 était d'environ 350 micromètres, l'épaisseur w (figure 3) de la couche précitée située sous la surface était d'environ 0,1 à 10 micromètres seulement (en fonction de la température et du temps) Cette couche située sous la surface, qui est désignée par la référence 24 sur la figure 3, s'étend entre la surface extérieure de la cible conique 10 et une frontière à l'intérieur de la cible qui est représentée par la ligne en pointillés 26 (On n'a pas représenté sur la fi- gure 3 l'étain des frontières de grains afin de ne pas obscur- cir inutilement le dessin et du fait que, comme indiqué pré- cédemment, son effet est négligeable) Ia couche 24 de profondeur limitée qui est représen- tée sur la figure 3 constitue en pratique une barrière effec- tive contre l'introduction d'hydrogène dans la cible 10 à dc A 511 -13 partir de l'extérieur ou de la surface de la cible qui est refroidie par eau Il est important de noter que cette cou- che constituant une barrière pour l'hydrogène est stable et, en pratique, ne réagit d'aucune manière nuisible discernable avec l'eau utilisée pour refroidir la cible, pendant le fonc- tionnement prolongé de celle-ci, à puissance élevée. Un point important consiste en ce que la surface intérieure et une partie importante de la cible 10 sous la surface intérieure (voir la figure 3), ne sont pratiquement pas affectées au cours de la procédure décrite précédemment dans laquelle on forme la couche barrière pour l'hydrogène, 24 Par conséquent, comme indiqué ci-dessus, les électrons qui sont dirigés vers la surface intérieure de la cible ne "voient" que du palladium pur Il en résulte que les caracté- ristiques d'émission de rayons X désirées d'une cible en pal- ladium pur ne sont pas affectées par la procédure de forma- tion de couche barrière pour l'hydrogène conforme à l'inven- tion O Après avoir été recuit, comme décrit, le cône 10 est soumis de façon caractéristique à un nettoyage A titre d'exemple, ceci consiste à abraser légèrement le rebord et la partie latérale inférieure du cène, en préparation pour le brasage De plus, la surface extérieure du cône est soumise de façon caractéristique à un nettoyage chimique consistant à plonger le cône dans de l'EDTA et dans du chlorure d'ammonium et de l'acide chlorhydrique On rince ensuite le cène nettoyé dans de l'eau désionisée. A ce point, on place le cône 10 dans un dispositif de montage classique approprié et on le monte en position sur le bottier 12 A titre d'exemple, un anneau de brasage 22, constituant par exemple en un alliage nickel-or classique (tel que la matière de brasage Nioro fabriquée par la firme Englehard Industries, Newark, New Jersey) est intercalé entre le cône 10 et le boîtier 12, comme le montre la figure 3 * Le brasage est accompli, par exemple, dans un four à vide à une pression d'environ 1,3 x 10-3 Pa A titre d'exem- ple, une température d'environ 10000 C pendant environ 30 mi- nutes réalise le brasage Ensuite, on procède à un nettoyage supplémentaire du cône Ceci comprend une légère abrasion de la surface extérieure du cône avec de l'alumine, suivie par un nettoyage chimique par immersion dans 1 'EDTA et le Triton- X (fabriqué par la firme Rohm and Haas, Philadelphie, Pennsylvanie) On rince ensuite le c 8 ne nettoyé dans de l'eau désionisée A ce point, le c 5 ne monté est prgt pour l'instal- lation dans un système à rayons X. Comme décrit ci-dessus, on peut déposer une couche d'étain 18 (figure 2) sur la surface extérieure de la cible 10, dans une opération de placage Cependant, conformément aux principes de l'invention, on peut former la couche d'étain de diverses autres manières classiques connues dans la techni- que Ainsi, on peut par exemple former une couche du type dé- crit précédemment sur la surface extérieure de la cible en appliquant sur cette surface de l'étain à l'état de fusion. Selon une variante, on peut former sur cette surface une cou- che d'étain appropriée par une opération de pulvérisation classique ou par des techniques classiques de dépôt chimique en phase vapeur (CVVD). En outre, conformément à l'invention, des matières autres que l'étain conviennent pour l'application sur la sur- face extérieure de la cible 10 (figure 2),pour former la cou- che 18 Ces matières, toutes déposées de façon à former une couche d'épaisseur t de 1 à 30 micromètres, comprennent le plomb (appliqué par placage, pulvérisation cathodique ou dépft chimique en phase vapeur) et le silicium ou le germanium (ap- pliqués par les techniques classiques de projection par plasma, par pulvérisation cathodique ou par dépôt chimique en phase vapeur) Après dépôt, on fait diffuser chacune de ces autres matières à l'intérieur de la cible, pour qu'elle forme dans cette dernière une couche barrière pour l'hydrogène de profon- deur limitée O On effectue par exemple ceci par une opération de chauffage dans un four à vide (ou dans une atmosphère de gaz inerte), conformément à la procédure décrite ci-dessus pour l'étain. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil à rayons X comprenant une cible ( 10) destinée à produire des rayons X sous l'effet du bombardement par des électrons de premières parties de surface de cette cible, et des moyens destinés à diriger de l'eau de refroidis- sement ( 16) le long de secondes parties de surface de 2 acible, caracté- risé en ce qu'une couche barrière pour l'hydrogène ( 26), de profondeur limitée, est formée à l'intérieur de la cible et s'étend à partir des secondes parties de surface. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cible consiste en palladium et la couche consiste en un composé de palladium et d'une matière choisie dans le groupe comprenant l'étain, le plomb,-le silicium et le germa- nium. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé consiste en Pd 35 n. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cible comprend une pièce conique creuse, les pre- mières parties de surface constituent une partie d'aire rela- tivement faible de la surface intérieure de cette pièce, les secondes parties de surface constituent une partie d'aire re- lativement grande de la surface extérieure de la pièce, et l'épaisseur de la couche barrière pôur l'hydrogène n'est que d'environ 10 % de l'épaisseur totale de la pièce. 5 Système de lithographie par rayons X à puissance élevée et à longue durée de vie, adapté à la fabrication de dispositifs à très haut niveau d'intégration, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce conique creuse ( 10) qui comporte une surface intérieure comprenant des régions de cible prévues pour être bombardées par des électrons incidents, et qui com- prend une surface extérieure destinée à être refroidie, cette pièce comprenant une couche barrière pour l'hydrogène ( 24), de profondeur limitée, qui s'étend dans la pièce à partir de la surface extérieure, tandis que le reste de la pièce est en palladium pratiquement pur, ladite couche consistant en un composé de palladium et d'étain, et des moyens destinés à faire circuler de l'eau de refroidissement ( 16) le long d'une partie notable de la surface extérieure.