Brevet FR2519437A1 — publié le 19830708

La présente invention se rapporte au domaine de la régulation thermique des cibles reposant sur un support dans une enceinte sous vide et soumises à un bombardement de particules énergétiques, de photons et/ou d'ondes électromagnétiques ayant pour effet secon- daire indésirable d'en augmenter la température Elle a pour objet notamment, bien que de façon non exclusive et non limitative, de parvenir à une limitation automatique de la température des cibles de matériau utilisées pour l'élaboration de composés semi-conducteurs à l'aide des techniques bien connues de l'implantation ionique. En effet, lorsque l'on traite des échantillons sous vide par irradiation énergétique, le traitement ap- porte de l'énergie et la température des échantillons s'élève jusqu'à une valeur limite correspondant à l'équilibre avec le milieu environnant Cette températu- re limite dépend du rayonnement énergétique reçu et des pertes thermiques Ces pertes thermiques sont essentiel- lement dues au rayonnement, à la conduction directe en- tre l'échantillon et son système de support ainsi qu'à la convection qui est toutefois très faible et quasi inexistante si le traitement a lieu, comme c'est presque toujours le cas, dans une enceinte sous vide poussé. L'expérience montre que le transfert de cha-. leur entre l'échantillon et son support est souvent très faible En effet, si l'on ne prend pas des mesures par- ticulières pour renforcer ce transfert, tout se passe le plus souvent comme si l'échantillon et la face corres- pondante du support n'étaient pratiquement pas en con- tact Par exemple, une plaquette standard de silicium, même appliquée par un petit ressort sur un support mé- tallique massif dans une installation d'implantation ionique, peut être considérée comme isolée thermiquement sous vide. Or, dans certaines expériences ou lors de cer- tains traitements il est absolument indispensable d'em- pêcher la cible ou la plaque traitée de dépasser certai- nes températures qui peuvent être nuisibles ou même to- talement destructrices vis-à-vis du produit que l'on dé- sire obtenir; c'est le cas notamment lorsque les pro- duits constituant la cible sont recouverts de résines qui s'altèrent à partir de 1200 C. Dans les techniques connues jusqu'à ce jour, on tentait d'éviter ces échauffements préjudiciables en utilisant de façon générale des substances molles et visqueuses capables d'adhérer à la fois à la cible ou à la plaquette traitée et à son support et dont la conduc- tivité thermique relativement élevée assurait ainsi une certaine amélioration de l'évacuation de chaleur à par- tir de la cible C'est ainsi que des graisses à base de silicone étaient souvent utilisées entre la cible et le support, lequel pouvait d'ailleurs en outre être refroi- di énergiquement par des moyens classiques connus. Ce procédé possède néanmoins certains incon- vénients majeurs, notamment, celui de salir les pièces en présence, de nécessiter des manipulations pas tou- jours faciles dans une enceinte à vide et de ne pas être systématiquement compatibles avec n'importe quel type d'expérience. Dans d'autres cas, on a également essayé de placer entre le support et la cible chauffée des sup- ports souples bon conducteurs thermiques tels que par exemple des caoutchoucs silicones ou des caoutchoucs chargés de microbilles en or ou en argent Cette membra- ne est fixée de façon permanente en contact intime avec le support# par collage par exemple L'application sous vide de la cible sur la membrane de caoutchouc permet une bbnne adaptation à la forme du support et par consé- quent un contact intime entre les deux pièces en présen- ce Cette solution, qui a l'intérêt de fonctionner de façon systématique, ne peut pas non plus toutefois être utilisée dans n'importe quelle expérience puisqu'on in- troduit dans l'enceinte sous vide un composé chimique éventuellement polluant ou gênant. On a également essayé de réaliser ce contact thermique amélioré entre la cible et son support par injection, entre les deux, d'un gaz bon conducteur à une pression moyenne (de l'ordre de 1 Torr) de façon à créer ainsi une conduction thermique et une évacuation des ca- lories par convection On conçoit toutefois que la réa- lisation d'un tel débit gazeux dans une enceinte à vide pose des problèmes dont la solution technique est parti- culièrement difficile. La présente invention a précisément pour objet un dispositif de limitation de la température d'une tel- le cible reposant sur un support dans une enceinte sous vide, qui fonctionne automatiquement et permet, à l'aide de moyens dont la mise en oeuvre est particulièrement simple, une limitation et un contr 8 le très satisfaisants de la température de la cible. Ce dispositif se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend, insérée entre le support et la cible, une membrane déformable, préformée à une for- me telle qu'elle soit à même, sous l'effet d'une légè- re surpression interne, de s'appliquer de façon intime sur la face arrière de la cible, ceci même si l'élasti- cité du matériau est faible et telle que ladite membrane emprisonne entre elle-même et le support un fluide dont les fonctions sont d'une part, par sa presimn d'assurer le plaquage de la membrane sur la face arrière de la cible et d'autre part, de transporter les calories de- puis la membrane vers le support. Dans un cas particulier de réalisation et de manière préférentielle, ladite membrane peut être mé- tallique, éventuellement en un métal de faible élastici- té, préformée en forme de coupelle pour s'appliquer par- faitement sur la face arrière de la cible et dont les bords profilés, en forme de S et ayant une certaine hauteur, reposent sur le support par l'intermédiaire de joints d'étanchéité. Le fluide sous pression emprisonné dans l'es- pace compris entre le support et la membrane peut être statique, circuler à l'intérieur de cet espace, ou cir culer à l'extérieur de cet espace. Dans un mode de réalisation spécialement inté- ressant de la présente invention, ce fluide est un corps en équilibre biphasique liquide-vapeur Ce fluide ainsi enfermé dans la membrane métallique souple et déformable se présente alors en partie sous forme liquide et en partie sous forme vapeur et peut transporter les calo- ries à la manière d'un caloduc entre la cible chauffante et le support chargé d'évacuer les calories à l'exté- rieur, si la configuration générale est telle que la membrane est en contact avec la phase liquide. Par ailleurs, la souplesse de la membrane as- sure, celle-ci ayant été préalablement fixée entre la cible et son support, une expansion automatique de l'es- pace interne sous l'effet de la différence de pression entre la pression du fluide et le vide réalisé à l'inté- rieur de l'enceinte dans laquelle on introduit la cible à traiter On réalise ainsi de cette manière selon l'in- vention, un contact intime particulièrement favorable à l'évacuation des calories entre la surface externe sou- ple de la membrane métallique et la face arrière de la cible chauffée. La membrane du dispositif objet de l'invention peut être réalisée par tout moyen connu, mais il est avantageux néanmoins de recourir à un dépôt électrochi- mique qui permet d'obtenir les épaisseurs souhaitées avec toute la régular Jté pooeb On rie a i par exemple une membrane en cuivre électrolytique recouverte d'une cou- che de nickel. Dans cette réalisation préférentielle la mem- brane a une forme de coupelle dont les extrémités, pro- filées en forme de S lui donnent une grande souplesse, ce qui lui permet sous l'effet d'une légère pression intérieure de s'appliquer parfaitement contre la face arrière de la cible chauffée. De toute façon l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de quelques exemples de mise en oeuvre du dispositif de limitation de la température, description qui sera faite en se ré- férant aux figures 1 à 4 suivantes, dans lesquelles: la figure 1 montre le profil général d'une membrane souple métallique utilisée dans le dispositif selon l'invention, en coupe par un plan passant par l'axe de symétrie cylindrique de cette membrane, la figure 2 représente une forme particuliè- re de la membrane de la figure 1, la figure 3 représente le principe général du montage de la membrane des figures 1 et 2 dans un dispositif de limitation et de contr 8 le de température conforme à l'invention, la figure 4 montre un autre exemple de mon- taged'un dispositif conforme à l'invention. la figure 5 montre une variante du disposi- tif de la figure 4. Sur la figure 1, on voit la membrane métalli- que souple 1, de révolution autour de l'axe vertical XX' et qui se compose essentiellement d'une partie circulai- re plane 2 prolongée par des rebords 3 profilés en forme de S La membrane 1 et ses bords 3 affectent la forme générale d Oune coupelle de forme renversée Dans l'exem- ple de la figure 1, la membrane 1 est en cuivre revêtu 19431 d'un dépôt de nickel, son épaisseur est de 0,02 mm et sa hauteur totale de 5 mm Le diamètre, dont la valeur n'est pas significative d'ailleurs, atteint 50 mm. Sur la figure 2, on a représenté une membrane 1 comparable à celle de la figure 1, mais dont la surfa- ce plane 2 possède un certain nombre de replis circulai- res tels que 4 qui augmentent encore la déformabilité de cette surface et permettent une expansion meilleure con- tre la cible chauffante non représentée lorsque la mem- brane étant introduite sous vide, la pression interne du fluide qu'elle enferme tend à la dilater. L'épaisseur des membranes des figures 1 et 2 n'est pas critique, mais l'expérience a montré que la souplesse désirable imposait une épaisseur comprise en- tre 0,02 mm et 0,10 mm Dans ces conditions, la membrane ainsi préformée, réagit très bien aux variations de pression interne et vient s'appliquer parfaitement sur la face arrière de la cible chauffée, comme le montre la figure schématique 3, dans laquelle la membrane 1 placée sur un support métallique 5 qui maintient en pla- ce la cible 6 est venue s'expanser contre la face arriè- re de cette dernière sous l'effet d'un fluide interne 7 gonflé à une pression de 1 à quelques dizaines de Torr. La figure 4 montre maintenant un montage pos- sible d'une membrane souple déformable 1 sur un support d'une plaquette de silicium 6 que l'on veut doper par implantation ionique L'ensemble des éléments de la fig- ure 4 doit être considéré comme situé dans une enceinte sous vide non représentée La membrane 1 est posée sur son support 5 par l'intermédiaire de joints 8 et un sys- tème d'anneaux de maintien 9 et 10 assure le maintien en place à la fois de la membrane 1 et de la plaquette de siliçium 6 sur le support 5 On remarquera encore qu'en- tre l'anneau inférieur 10 et le rebord extrême de la plaquette 1, un second joint 11 assure l'étanchéité En- a fin, et selon l'invention, l'espace interne 7 compris entre la membrane 1 et le support 5 est rempli d'un fluide en équilibre avec sa vapeur saturante dont la pression (quelques torrs) assureen liaison avec le vide régnant tout autour du système, une application très in- time de la partie plane de la membrane 1 contre la face arrière 6 de la plaquette de silicium Il en résulte que par conduction thermique les calories engendrées par le bombardement ionique de la plaquette 6 sont évacuées systématiquement à travers la membrane 1, le milieu in- termédiaire que constitue le fluide 7 et le support 5. Le fluide sous pression situé dans l'espace compris entre le support 5 et la membrane 1 peut être un liquide en équilibre avec sa vapeur, ce qui présente l'avantage de conduire à un système auto-régulateur au point de vue thermique: en effet, plus la puissance reçue par le système augmente, plus le liquide tend à chauffer et plus la tension de vapeur de la phase gazeu- se augmente, ce qui conduit à une application plus ri- goureuse de la membrane 1 contre la cible 6 et par con- séquent à un renforcement de la conductivité thermique du système Dans d'autres modes de réalisation, le li- quide peut circuler entre une entrée et une sortie et être ainsi refroidi en permanence D'une façon générale d'ailleurs, on peut noter l'intérêt que présente en l'occurrence le transport des calories à évacuer par un liquide, ce qui conduit à des possibilités de circula- tion et d'échange thermique avec d'autres fluides. Sur la figure 5, on retrouve, portant les mê- mes nombres de référence, les mêmes éléments du disposi- tif que sur les figures précédentes, auquel on a toute- fois ajouté deux canalisations 12 et 13 (entrée et sor- tie) permettant la communication entre l'espace interne de la membrane 1 et l'extérieur du système Cette commu- 'nication peut servir d'une façon générale pour le rem- plissage et la vidange de cet espace délimité par la membrane métallique 1 et également, lorsque c'est le cas, à la circulation du fluide emprisonné dans cet es- pace. Dans le cas d'un fluide en équilibre liquide- vapeur, la pression d'appui de la membrane 1 sur la ci- ble 6 est égale à la tension de vapeur du liquide consi- déré à la température de l'enceinte Il est aisé de choisir un fluide dont la tension de vapeur atteint quelques torrs à la température ambiante, ce qui corres- pond tout à fait aux gammes de pression souhaitées pour l'application de la membrane 1 sur la cible 5 par exem- plé de l'eau pure. En outre, l'utilisation d'un fluide en équili- bre liquide-vapeur, lorsque la membrane est sous vide, permet lorsque ladite membrane est soumise extérieurement à la pression atmosphérique, de conserver la forme de la membrane sans aplatissement ni écrase- ment Ceci est dû au fait que l'on impose au fluide une pression supérieure à sa pression de vapeur saturante, donc la vapeur se condense et l'intérieur de la membrane est entièrement rempli de liquide Il est souhaitable que le volume de liquide soit juste inférieur au volume intérieur de la membrane, lorsqu'elle est sous vide et que la cible est appliquée sur elle De cette façon, lorsqu'on casse le vide dans l'enceinte, la forme de la membrane change très peu et cette dernière subit peu de contrainte. A titre d'exemple d'application du dispositif objet de l'invention, on décrira maintenant des expé- riences d'implantation ionique sur du silicium cristal- lin. Il est bien connu des Hommes de Métier que dans la gamme d'énergie utilisée pour l'implantation io- nique de plaquettes de silicium, il existe pour chaque ion une relation entre la dose (nombre d'ions par cm 2) et la température du substrat qui délimite deux types de comportement du silicium En d'autres termes, pour une dose d'irradiation ionique donnée, il n'existe plus de risque d'amorphisation du silicium dès lors que la tem- pérature du substrat dépasse une température caractéris- tique de la dose; par ailleurs, il existe également une température limite T au-dessus de laquelle,quelle que soit la dose d'irradiation, aucune implantation ionique ne peut conduire à l'amorphisation du substrat. Les tests réalisés avec le dispositif objet de l'invention ont utilisé l'ion phosphore pour lequel la température limite T est relativement basse ( 157 C) et la variation de la dose d'amorphisation très rapide au voisinage de la température ambiante Des implantations d'ion phosphore ont été effectuées dans les conditions suivantes: Energie ke V Dose Densité de courant 200 5 1014 cm-2 5 g A cm-2 7 1 o 014 cm-2 5 VA cm-2 1015 cm-2 5 p A cm-2 1,2 1015 cm-2 5 1 A cm-2 Ces implantations ont été réalisées avec une densité de puissance de 1 W/cm 2, ce qui, en l'absence de tout système de refroidissement spécial, aurait élevé la température de la cible d'au moins 300 C Avec le dispo- sitif de limitation de température objet de l'invention, les plaquettes de silicium n'ont pas dépassé une tempé- rature moyenne de 40 C En effet, les plaquettes irra- diées à une dose de 1015 cm-2 et 1,2 1015 cm-2 sont très nettement amorphisées, les plaquettes irradiées à 5.1014 cm-2 et 7 1014 cm-2 présentent des signes d'amor- phisation moins marqués Or, si la température avait dé- passé 40 C, aucune de ces quatre plaquettes ne présente- rait des signes d'amorphisation. Enfin, le dispositif objet de l'invention peut trouver d'autres applications: le contr 8 le de la tempé- rature de la cible ou la mesure de la puissance calori- fique apportée à la cible par le faisceau énergétique. On peut également, en l'absence de tout apport énergéti- -que, modifier la température de la cible ou, dans le cadre d'une implantation ionique, modifier et maîtriser la température de la cible ou encore, dès la fin de l'implantation, ramener rapidement la cible à une tem- pérature de référence (trempe). il REVENDICATIONS 1 Dispositif de limitation et de contr 8 le de la température d'une cible ( 6) reposant sur -un support ( 5) dans une enceinte sous vide et soumise à un flux d'énergie, notamment lors d'une implantation ionique, caractérisé en ce qu'il comprend, insérée entre le sup- port et la cible, une membrane ( 1) déformable, préformée à une forme telle qu'elle puisse, sous l'effet d'une légère surpression interne, s'appliquer de façon intime sur la face arrière de la cible et telle que ladite membrane emprisonne dans l'espace compris entre elle- même et le support, un fluide goieé à une pression in- terne assurant un bon contact thermique entre la membra- ne et la cible 2 Dispositif -selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est métallique. 3 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que la membrane est réalisée par dépôt chimique ou électrochimique de cuivre et/ou de nickel. 4 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que la membrane a une forme de coupelle dont les rebords sont profilés en forme de S. 5 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que la membrane repose sur le support par l'intermédiaire de joints d'étanchéité. 6 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide est statique. 7 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide cir- cule à l'intérieur de l'espace interne compris entre la membrane et le support. 8 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide cir- cule à l'extérieur de l'espace interne. 9 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 6, 7, 8, caractérisé en ce que le fluide est un corps en équilibre diphasique liquide-vapeur. Dispositif selon la revendication 9, ca- ractérisé en ce que le fluide est de l'eau pure. 11 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendicatiors 9 et 10, caractérisé en ce que le liquide occupe la plus grande partie du volume intérieur de la membrane de telle façon que lorsque celle-ci est soumise à la pression atmosphérique extérieure, le liquide main- tient la forme de la membrane en évitant ainsi l'écras- sement et la fatigue de ladite membrane. 12 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 9 à 11, caractérisé en ce que le fluide en équilibre diphasique transfère l'énergie calorifique par effet caloduc. 13 Application du dispositif, selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, au contrôle de la température de la cible. 14 Application du dispositif, selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, à la mesure de la puissance calorifique apportée à la cible.