Brevet FR2660106A1 — publié le 19910927

i DISPOSITIF POUR RENDRE HOMOGENE L'IMPLANTATION D'IONS SUR LA SURFACE D'ECHANTILLONS PLANS. Description La présente invention a pour objet un dispositif pour rendre homogène l'implantation d'ions sur la surface d'échantillons plans Elle s'applique notamment dans le domaine de la microélectronique pour l'isolation d'une couche superficielle d'une plaquette en matériau semiconducteur. Les circuits intégrés sont généralement réalisés à partir de plaquettes semiconductrices à La surface desquelles, par des opérations de gravure, dépôt, dopage, sont créées les zones actives des circuits, les interconnexions et Les isolations nécessaires. Pour certaines applications, une partie superficielle des plaquettes semiconductrices doit être isolée sur une certaine épaisseur du reste du substrat. Pour une plaquette en silicium, cette couche isolante peut être réalisée par implantation d'ions d'oxygène ( O +) à travers la surface de la plaquette suivie d'un recuit à haute température. La couche isolante est donc en oxyde de silicium. L'uniformité de la dose d'ions O + reçue par la surface de la plaquette semiconductrice constitue un des critères principaux caractérisant la qualité du produit obtenu. La Société américaine EATON commercialise, sous la référence NV 200, un dispositif implanteur d'ions qui permet de traiter 20 à 25 plaquettes dans le même temps Un tel dispositif connu est représenté sur la figure 1. Les plaquettes semiconductrices 10 sont maintenues par des pions 9 par exemple en Quartz sur une couche protectrice de silicium 11 revêtant sur la face interne 7 d'un tambour ou éLément rotatif 14 dont la vitesse de rotation peut aller de 100 à 1000 tr/mn. Les plaquettes 10 défilent devant un faisceau 16 d'ions O + de section elliptique et dont la grande dimension est supérieure au diamètre des plaquettes 10. L'angle d'incidence du faisceau 16 sur les plaquettes ainsi que l'orientation de celles-ci sont choisis de manière à ce que le trajet des ions implantés dans le cristal de silicium ne corresponde pas à des trajets de canalisation (channeling). En effet, cette correspondance donnerait lieu à des variations importantes de profondeur d'implantation. De manière connue, pour améliorer l'implantation des ions effectuée par un dispositif du type de celui représenté sur la figure 1, la section du faisceau est réduite et ce dernier est soumis à un balayage vertical lors de la rotation du tambour. Dans ce cas, le résultat obtenu est très bon puisque les variations de dose d'implantation sont inférieures à + 1 % Malheureusement, la méthode qui consiste à balayer un faisceau d'ions de section réduite comporte de nombreux inconvénients: a) l'amplitude du balayage doit être telle que le faisceau d'ions sorte complètement de la plaquette pour que la dose reste uniforme sur toute la surface Cela entraîne des temps morts (pendant lesquels le faisceau est hors de la plaquette) et une perte importante d'ions On compense généralement ces phénomènes par l'application d'un faisceau plus intense qui entraîne un échauffement préjudiciable à la qualité du matériau semiconducteur et des risques de pollution supplémentaires. b) Le balayage est créé par la variation d'un courant traversant un électro-aimant L'intensité de ce courant, avoisinant les 100 A, ne permet qu'une faible vitesse de balayage (correspondant à environ 1 aller/retour en 5 secondes) entraînant d'importantes différences de température entre les différents points des plaquettes Pour compenser ces échauffements locaux, on fournit un chauffage additionnel pendant l'implantation, cependant on constate encore la création de défauts dans le matériau semiconducteur. c) L'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé et balayé et les modifications attenantes entraînent un surcoût élevé du dispositif. La présente invention permet d'obtenir des uniformités de dose aussi bonnes sinon meilleures que les dispositifs à balayage de faisceau d'ions focalisé sans en avoir les inconvénients Pour cela, l'invention préconise la mise en rotation de chaque support par rapport à un axe perpendiculaire à la surface interne du tambour Ce mouvement se superpose à la rotation du tambour sur lui-même Une plaquette positionnée dans un support est entraînée en rotation, ce qui permet une répartition identique de l'implantation d'ions sur toute la surface On évite ainsi tout balayage du faisceau et les inconvénients y attenants. De manière plus précise, la présente invention concerne un dispositif pour rendre homogène l'implantation d'ions sur la surface d'échantillons plans comprenant: un élément rotatif en forme de tambour ou de disque, des supports d'échantillons répartis sur une face de l'élément rotatif, des moyens de mise en rotation des supports. De manière préférée, les moyens de mise en rotation des supports comprennent: un moyen pour créer un champ magnétique, des disques d'entraînement, chacun de ces disques étant solidaire d'un support, une extrémité de ces disques étant plongée dans ledit champ magnétique, des axes de rotation traversant L'élément rotatif, chacun de ces axes maintenant un disque d'entraînement à une des ses extrémités et un support à l'autre de ses extrémités. L'entraînement magnétique permet de réduire au minimum les contacts mécaniques générateurs de pollution. Dans un mode de réalisation préféré, le moyen pour créer un champ magnétique est constitué d'au moins un aimant ayant un entrefer apte au passage sans contact des extrémités des disques d'entraînement. De façon avantageuse, le moyen pour créer un champ magnétique est constitué d'aimants disposés sur une fraction de couronne entourant l'élément rotatif ayant chacun un entrefer apte au passage sans contact des extrémités des disques d'entraînement. Le nombre des aimants est déterminé de telle façon que l'impulsion fournie aux disques d'entraînement en matériau conducteur soit suffisante pour que les échantillons soient présentés sous le faisceau d'ions avec des angles différents à chaque tour de tambour. Cette réalisation permet de mettre les supports en rotation quasi continue sans mise en place d'amenée supplémentaire d'énergie En effet, on utilise l'énergie cinétique de rotation du tambour pour mettre en mouvement les supports. De plus, les chocs et frottements éventuels entre les pièces mécaniques sont limités au maximum de manière à éviter toute pollution des échantillons. Un tel dispositif peut fonctionner sans problème aux températures atteintes dans la chambre contenant les échantillons ou plaquettes semiconductrices (ces températures peuvent atteindre 700 degrés Celsius) Selon les modes de réalisation, le disque d'entraînement peut prendre différentes formes Il peut être plat, sensiblement conique ou encore bombé. Les disques d'entraînement sont en matériau sensible à un champ magnétique. Selon un mode de réalisation particulier, les disques d'entraînement sont en matériau 23 conducteur. Selon un autre mode de réalisation particulier, les disques d'entraînement sont en matériau magnétique fritté. Selon un autre mode de réalisation, les disques d'entraînement sont munis de moyens d'entraînement en matériau sensible à un champ magnétique Ces moyens peuvent être par exemple une couronne en matériau magnétique fritté rapportée sur la circonférence de chaque disque. Avantageusement, chaque disque d'entraînement est munie de moyens de positionnement sélectif. Selon un mode de réalisation particulier, ces moyens de positionnement sélectif comportent: une pièce en matériau aimanté fixe, au moins un pion apte à être aimanté et fixé sur le disque d'entraînement de manière à se trouver en regard du matériau aimanté lors de la rotation du disque d'entraînement. De manière préférée, plusieurs pions sont répartis sur un cercle centré sur le centre du disque d'entraînement de manière à freiner la rotation du disque lors de leur passage devant Le matériau aimanté Le choix de la position des pions permet d'éviter que la plaquette de silicium ne se présente sous le faisceau d'ions suivant certains angles lors de la rotation du support On réduit ainsi les problèmes liés à la canalisation des ions dans le monocristal de silicium. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit donnée à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite et relative à l'art antérieur, représente schématiquement une vue partielle d'un dispositif pour l'implantation d'ions à la surface d'échantillons plans; les figures 2 a et 2 b représentent schématiquement une vue en coupe (fig 2 a) et de dessus (fig 2 b) d'un dispositif conforme à l'invention; la figure 3 représente schématiquement une variante de réalisation d'un disque d'entraînement conforme à l'invention, la figure 4 représente schématiquement les courants et les forces mis en jeu dans un système d'entraînement magnétique conforme à l'invention; la figure 5 représente schématiquement une vue partielle en coupe d'un dispositif conforme à l'invention. En référence aux figures 2 a et 2 b, on voit que l'élément rotatif 14, ici un tambour, d'un dispositif pour l'implantation d'ions du type de celui précédemment décrit est muni, conformément à l'invention, de moyens pour mettre en rotation les supports 12 Ces moyens sont constitués d'une part, par un moyen 18 pour créer un champ magnétique entourant une partie du tambour 14 et d'autre part, par des disques 22 en matériau sensible à un champ magnétique: matériau conducteur et amagnétique, par exemple en aluminium ou bien magnétique fritté. Ces disques sont solidaires des supports 12 et disposés à l'extérieur du tambour 14 de manière à ce qu'une extrémité de chaque disque baigne dans le champ magnétique, préférentiellement perpendiculairement à ce dernier. Comme on peut encore le voir sur les figures 2 a et 2 b, le champ magnétique est créé entre les entrefers d'aimants 20 disposés en couronne autour d'une partie du tambour 14. Sur la figure 3, on peut voir une variante de réalisation d'un disque d'entraînement 22 Ce dernier est en matériau amagnétique et comporte sur sa périphérie des moyens d'entraînement 23 en matériau sensible à un champ magnétique Ces moyens comportent par exemple une couronne 23 a en matériau magnétique fritté Cette couronne 23 a est telle qu'elle baigne dans le champ magnétique lors de la rotation du tambour. L'entraînement en rotation des disques conducteurs 22 va maintenant être commenté en référence à la figure 4. On voit sur la figure 4 un disque 22 entraîné par le tambour 14 (non représenté) dans un mouvement de rotation autour de l'axe du tambour avec une vitesse symbolisée par une flèche référencée Vt. L'extrémité supérieure du disque 22 est plongée dans la distribution de champ magnétique t 9 et est toujours sensiblement perpendiculaire à ce champ lors de la rotation du tambour 14. On sait que, dans ces conditions, des courants de Foucault symbolisés par une flèche référencée I induisent un champ de force symbolisé par une flèche en trait tireté référencée F qui s'oppose au mouvement du disque 22 autour de l'axe de rotation du tambour et qui entraîne donc, par réaction, le disque 22 en rotation autour de son axe propre Ce mouvement est symbolisé par une flèche référencée Vd Chaque disque 22 étant solidaire d'un support 12, ces derniers sont donc entraînés en rotation autour des axes des disques 22. La figure 5 représente schématiquement une vue partielle et en coupe d'un dispositif conforme à l'invention Cette figure explicite le système de mise en rotation lié à chaque support. Un échantillon plan 10 est disposé sur un support 12 Cet échantillon est usuellement une plaquette de silicium de 75 à 200 mm de diamètre et de 300 à 800 micromètres d'épaisseur Le support 12 présente des dimensions adaptées à l'échantillon Il est par exemple en quartz ou en tout autre matériau résistant à des températures de l'ordre de 300 à 700 degrés Celsius, ne contaminant pas l'échantillon et résistant au bombardement d'ions. Il peut avoir la forme d'un disque évidé, de croisillon ou tout autre forme adaptée au maintien de l'échantillon lors des rotations. Le support 12 est fixé sur une pièce intermédiaire 24, par exemple en aluminium ou en inox IL est centré sur cette pièce 24 par des pions 26 par exemple en aluminium ou en inox ou en quartz ou en un autre matériau résistant à la température ne contaminant pas l'échantillon. Un axe 28 traverse le tambour 14 de part en part, perpendiculairement à ce dernier En son extrémité intérieure au tambour 14, il est solidaire d'une pièce intermédiaire 24 En son autre extrémité extérieure au tambour 14, il est fixé au centre d'un disque d'entraînement 22. L'axe 28 traverse le tambour 14 par une ouverture 30 aménagée à cet effet Il est maintenu fixé au tambour 14 par une paire de roulements à billes 32 ou tout autre moyen de fixation adéquat. Une entretoise 36 assure la répartition des éléments liés à l'axe 28. L'axe 28 est par exemple en inox ou en tout autre matériau assurant la rigidité de l'ensemble tournant (support et disque) et résistant à la chaleur et à l'oxydation. Comme on l'a vu précédemment, le disque d'entraînement 22, parce qu'il a une extrémité plongée dans un champ magnétique adéquat, assure le mouvement de rotation qui est transmis au support 12 par l'intermédiaire de l'axe 28. Le disque présente un diamètre qui résulte d'un compromis entre l'encombrement, le poids et le couple obtenu, par exemple 100 mm Il possède une épaisseur de 2 mm, par exemple. Sur l'exemple de la figure 5, le disque d'entraînement est plat. Une extrémité du disque 22 est plongée dans le champ magnétique de direction perpendiculaire au plan du disque créé à l'intérieur de l'entrefer d'un aimant 20 en forme de U par exemple L'entrefer (entre les branches du U de L'aimant) présente un espacement suffisant pour permettre Le passage du disque d'entraînement 22 et éviter tout contact métallique avec celui-ci lors des rotations autour de l'axe de rotation du tambour et de l'axe 28. L'aimant 20 peut être permanent ou bien un électroaimant. D'autres aimants 20 (non visibles sur la figure 4) sont répartis sur une partie du tambour 14 de manière à ce que le disque 22 possède un mouvement de rotation autour de l'axe 28 quasi continu. A titre indicatif, 16 aimants espacés entre-eux de 3 mm sont répartis sur une partie de la couronne autour d'un tambour de 1 m de diamètre envi ron Dans l'exemple représenté figure 5, chaque aimant 20 est supporté par une patte 38 fixée sur la paroi 40 de la chambre dans laquelle est installé le tambour 14 Cette patte est par exemple en alliage d'aluminium; elle permet de positionner les aimants de manière à créer une distribution de champ magnétique de direction perpendiculaire au plan du disque d'entraînement 22. Le disque 22 représenté sur la figure est muni de moyens de positionnement sélectif qui réduisent l'effet de canalisation en minimisant le temps d'exposition sous certains angles. Ces moyens de positionnement sélectif comporte d'une part, un aimant 52 fixé sur le tambour 14 et d'autre part, des pions 50 fixés sur le disque 22 et en matériau sensible à un champ magnétique, en acier doux par exemple Ces pions 50 par exemple au nombre de 8,sont répartis sur un cercle centré sur le centre du disque 22 et positionnés de manière 1 1 à être en regard de l'aimant 52 lors de la rotation du disque 22. Le système possède alors des angles de positions privilégiés correspondant à un pion 30 face à un pôle de l'aimant 52. La mise en rotation de l'échantillon permet d'obtenir une répartition uniforme des ions et d'éviter les problèmes de canalisation Un dispositif conforme à l'invention est économique et non polluant: l'entraînement en rotation est magnétique et utilise l'énergie de rotation du tambour. Le dispositif conforme à l'invention est simple, rapidement démontable et remontable, ce qui facilite les nettoyages réguliers des éléments de la chambre d'implantation. Bien entendu, cette invention ne reste pas limitée à la réalisation d'un dispositif comportant un tambour, mais est étendue à tout dispositif comportant un élément rotatif de forme choisie parmi les cônes, disques, pyramides, cylindres ou plaques portant les plaquettes semiconductrices à traiter. Revendications 1 Dispositif pour rendre homogène l'implantation d'ions sur la surface d'échantillons ( 10) plans comprenant: un élément rotatif ( 14), des supports ( 12) d'échantillons répartis sur une face de l'élément rotatif ( 14), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 18, 22, 28) de mise en rotation des supports. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mise en rotation des supports comprennent: un moyen ( 18) pour créer un champ magnétique, des disques d'entraînement ( 22), chacun de ces disques ( 22) étant solidaire d'un axe ( 28), une extrémité de chacun des disques ( 22) étant plongée dans ledit champ magnétique lors de la rotation dudit élément ( 14), des axes ( 28) de rotation traversant l'élément ( 14), chacun de ces axes ( 28) maintenant un disque d'entraînement ( 22) à une des ses extrémités et un support ( 12) à l'autre de ses extrémités. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen ( 18) pour créer un champ magnétique est constitué d'au moins un aimant ( 20) ayant un entrefer apte au passage sans contact des extrémités des disques d'entraînement ( 22). 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les disques d'entraînement ( 22) sont en matériau sensible à un champ magnétique. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les disques d'entraînement ( 22) sont en matériau conducteur. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les disques d'entraînement X A, ( 22) sont en matériau magnétique fritté. 7 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les disques d'entraînement ( 22) sont munis de moyens d'entraînement ( 23) en matériau sensible à un champ magnétique. 8 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque disque d'entraînement ( 22) est muni de moyens de positionnement sélectif ( 50, 52). 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de positionnement sélectif comportent: une pièce ( 52) en matériau aimanté fixe, au moins un pion ( 50) apte à être aimanté et fixé sur le disque d'entraînement ( 22) de manière à se trouver en regard de la pièce ( 52) en matériau aimanté lors de la rotation du disque d'entraînement ( 22).