Brevet FR2805925A1 — publié le 20010907

PROCEDE DE CONTROLE DE L'UNIFORMITE DE TRAITEMENT D SURFACE PAR UN FAISCEAU DE PARTICULES ET EQUIPEMENT DE MISE EN OEUVRE. L'invention concerne un procédé de contrôle l'uniformité d'un traitement de surface par un faisceau de particules, de type implantation ionique, ainsi équipement permettant de mettre en ceuvre un tel procède. exemple, les traitements de surface de substrat, type tranche de matériau semi-conducteur, par projection de faisceaux d'ions multichargés peuvent intervenir dans de nombreuses applications, notamment pour former une couche d'oxyde de grille, pour nettoyer et préparer une surface, pour insoler un réticule et graver au moins une couche diélectrique en vue de réaliser des micromotifs de circuits intégrés, ou pour former des nano-points d'oxyde de silicium par insolation par flash d'ions multichargés, afin dé former des composants à effet quantique. Les ions utilisés sont par exemple produits par une source à Résonance Cyclotronique Electronique (en abrégé ECR). Ce sont des ions d'Argon ou d'autres gaz inertes ou tout type d'ions réactifs, comme des ions d'oxygène ou d'azote. De tels traitements nécessitent une uniformité rigoureuse de l'interaction des particules sur la surface de la tranche pour obtenir une qualité de résultat optimale. Le défaut d'uniformité actuellement acceptable en micro-électronique est généralement compris entre 1 et 5% à 2 sigmas, qui représente le rapport égal à deux fois l'écart-type de la distribution du paramètre qui doit être uniforme, divisé par l'amplitude de cette distribution. La plupart des procédés existants fournissent globalement un tel niveau de résultat. Cependant, l'évolution de la micro-électronique vers systèmes bien plus miniaturisés impose la recherche un faible défaut d'uniformité avec une précision de l'ordre du micromètre. En pratique, sur une ligne de production, tests sont effectués en cours de production choisissant des échantillons de façon aléatoire, mais ces tests sont souvent destructeurs. Par exemple, dans le cas de formation de nano-points ou de micromotifs, il faudrait utiliser la microscopie électronique (ou 1a Microscopie à Force Atomique (en abrégé AFM) ou encore la Microscopie à Effet Tunnel (en abrégé STM)) pour mesurer la distribution des nano-points d'oxyde formé par les ions sur le substrat ou l'uniformité de la profondeur des tranchees gravées dans les diélectriques. De même, i1 faudrait effectuer une coupe du substrat pour mesurer (par Microscopie Electronique en mode Transmission) l'uniformité d'une couche d'oxyde formée. Toutes ces mesures sont longues et destructrices et ne permettent pas d'ajuster le traitement en temps réel en cas détection de défaut d'uniformité. Afin d'obtenir une mesure d'uniformité destructrice et immédiatement exploitable, l'invention propose d'effectuer un contrôle in situ du nombre de particules incidentes par unité de surface, pendant toute la période du traitement, en mesurant localement l'émission de photons provoquée par l'interaction de particules avec la surface. Plus précisément, l'invention a pour objet un procède de contrôle de l'uniformité de traitement de surface d'un substrat par faisceau de particules, dans lequel une mesure instantanée du nombre de photons émis par l'interaction du faisceau de particules sur la surface est effectuée en liaison avec une détection par imagerie de l'émission photonique en chaque zone élémentaire de la surface définie à partir de la résolution de l'image formée, pendant toute la durée du traitement, une variation de cette mesure étant ensuite déterminée en fonction de la position des zones d'émission, afin de déterminer une moyenne de la distribution spatiale d'intensité d'émission et de mesurer un défaut d'uniformité de traitement proportionnellement à l'écart à cette moyenne. La détection instantanée de défauts présente, dans certaines situations, un avantage décisif du fait qu'il n'est pas toujours possible de détecter une anomalie avant que la puce ne soit terminée. Or il peut s'écouler plusieurs mois entre l'étape de fabrication défectueuse et la sortie du produit. Cela signifie qu'en l'absence de mesures in situ, plusieurs mois de production peuvent être perdus avant que le système de traitement de surface soit réparé. Un tel contrôle permet de rendre compte de l'uniformité spatiale un traitement particulaire qui intervient en tout point de la surface du substrat, par exemple l'épaisseur couche d'oxyde formée ou de diélectrique gravé, la densité des nano-points ou l'insolation du réticule. Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comporte une etape de réglage ou d'arrêt du traitement lorsque le defaut d'uniformité est supérieur à une valeur critique prédéterminée. Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de mesure de l'énergie photons détectés localement et, en option, du nombre photons émis ' au moins un niveau d'énergie donné, afin suivre l'état d'avancement du traitement, et d'ajuster ou arrêter le traitement lorsque cette énergie ou nombre varie au-delà d'un écart prédéterminé sur une période de temps donnée. Une telle variation traduit en effet un changement d'état de la surface, par exemple la fin de la gravure d'une couche superficielle de diélectrique dans le de la formation de micromotifs. Par exemple, dans la gravure d'une couche de Si0-? sur un substrat de silicium, les photons émis lors de l'interaction des ions avec le SiO2 n'ont pas la même énergie que les photons émis lors de l'interaction avec le silicium. I1 est donc possible de décider de n'arrêter la gravure que lorsqu'il n'y a plus aucun photon détecté dont 'énergie correspond à une interaction avec le SiO>, soit lorsque tout le Si0z a été enlevé. Cela évite de piloter la gravure "en aveugle". Selon d'autres modes de réalisation particuliers - la mesure de l'uniformité du traitement du substrat est enregistrée pour tracer l'historique des parametres des applications successives subis par chaque tranche passant sur la ligne de production ; un tel enregistrement permet de contrôler la qualité de la production ; - une analyse de la distribution spatiale de l'intensité émise détermine un défaut d'uniformité local et une modulation de balayage correspondante du faisceau de particules afin de corriger ce défaut ; cette analyse s'applique plus particulièrement dans le cas de gravure ou d'insolation de réticule ; - des moyens de sélection de particules asservis à l'analyse précédente permet corriger également défaut d'uniformité ; une sélection fine des particules vitesse et en direction peut effet être réalisée par des moyens de filtrage ; les moyens de collimation sont constitués préférentiellement par une série de caches réglables, par exemple des diaphragmes, pour ajuster localement le flux de particules afin de compenser défaut d'uniformité. Lorsque 1e traitement par les particules a été rendu uniforme, le résultat obtenu par le traitement a la même uniformité. On dispose ainsi d'un paramètre significatif, qui est une mesure physique, alors qu'habituellement les paramètres enregistrés sont des paramètres "machine" (temps d'exposition, courant électrique, pression dans l'enceinte, pression partielle de certains contaminants, ...) . invention se rapporte également à un équipement de contrôle pour mettre en aeuvre ce procédé. Un tel équipement peut comporter comme detecteur de photons au moins une caméra numérique appareil photonumérique, en particulier une caméra à capteurs à couplage charges de type CCD ( charge coupled device terminologie anglo-saxonne), couplée à une unité de traitement du signal et de gestion des données. D'autres détecteurs de photons peuvent être utilisés, tels que les intensificateurs d'image pour vision nocturne, par exemple par décharge électronique (à chaneltron). Pour améliorer la sensibilité du détecteur de photons, celui-ci peut être refroidi par divers moyens tels qu'un dispositif à effet Peltier, c'est-à-dire thermoélectronique, ou une enceinte refroidie par fluide cryogénique, par exemple de l'azote liquide tout fluide de refroidissement. Un tel détecteur mesure l'intensité et longueur d'onde de la lumière émise en chaque zone de la surface traitée correspondant à chacun de ses pixels, lorsqu'il est de type couleur. Une caméra en noir et blanc permet de mesurer que l'intensité lumineuse mais peut presenter, à coût égal, une sensibilité supérieure. Le calibrage du détecteur permet de déterminer le rapport entre l'intensité lumineuse détectée et le nombre de photons reçus. Ce rapport permet de déduire nombre de photons émis dans chaque zone correspondante la surface traitée. L'unité de traitement des données détermine l'évolution de l'intensité des couleurs dominantes, qui permet de suivre l'évolution du traitement d'ajuster ou arrêter ce traitement lorsque ce rapport varie sensiblement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à la lecture d'un mode de réalisation détaillé qui suit, en liaison avec les figures annexées qui représentent, respectivement - la figure 1, un schéma d'un exemple d'équipement de mise en #uvre du procédé de contrôle selon l'invention ; et - la figure 2, un diagramme de la courbe de variation 3D de l'intensité d'émission photonique, obtenue lors de la gravure d'un substrat, en fonction de la position de la zone d'émission. Comme illustré en figure 1, un faisceau F d'ions est dirigé à l'aide d'un système de balayage (non representé) sur un substrat semi-conducteur formé d'une tranche 100 de silicium, comportant une couche superficielle de matériau diélectrique 101 à graver, en Si02 dans l'exemple de réalisation, sur un substrat de silicium pour réaliser des micromotifs de circuits intégrés. ions Ar8+, générés par une source d'ions ECR (non représentée), sont d'abord sélectionnés en direction, densité et charge, par des moyens électromagnétiques adaptés et connus de l'homme de l' pour former un faisceau homogène et parallèle. faisceau est ensuite filtré à travers un masque réticule pour ne conserver que les ions aptes à former la gravure selon les micromotifs. Le faisceau F ainsi filtré est ralenti par un champ électrique avant d'interagir avec 1a couche superficielle 101. Lorsqu'un ion Ar8+ interagit avec la couche 101, c'est-à-dire pénètre dans une zone dite de capture électronique située à environ 2 nm au-dessus la couche, cet ion commence à capturer les électrons du substrat. I1 y a émission de photons 1 dans cette zone de capture, provenant soit de la couche superficielle, soit de l'ion, soit du système quasi moléculaire formé par l'ion et les atomes de la couche, soit des particules arrachées à la surface. Dans l'exemple illustre, l'interaction d'ions Ar8+ avec 1a couche de SiO, produit des photons bleus. Une caméra à capteurs CCD 103 est placée à dizaine de centimètres du substrat 100 et mesure, au travers d'une optique adaptée qui embrasse toute la surface du substrat, l'intensité lumineuse proportionnellement au nombre de photons 1 émis dans bande de fréquences donnée, allant du visible au proche infrarouge. C'est une mesure in situ, qui a lieu lors l'interaction du faisceau d'ions avec 1e substrat. Le nombre de photons ainsi produit est mesuré, à un coefficient multiplicateur près, par le niveau de signal S obtenu en sortie de la caméra 103. La caméra fournit successivement le niveau de signal d'intensité lumineuse de chaque capteur photosensible formant pixel d'image, et correspondant à une zone élémentaire la surface visualisée localisée par ses coordonnées (X, La dimension des zones élémentaires est déterminée par la résolution de la caméra. Le signal est traité par une unité de traitement et de gestion 104 qui commande la caméra, mémorise successivement le niveau du signal S en fonction de localisation, et calcule le nombre de photons correspondant. L'unité de gestion est programmée par logiciels adaptés afin d'automatiser l'ensemble mesures et des commandes. Comme illustré dans 1e repère X-Y-Z de figure 2, les mesures d'intensité permettent d'obtenir courbe représentative C du défaut d'uniformité en portant, sur l'axe Z, la variation du nombre de photons émis en fonction de la position de la zone élémentaire d'émission, repérée dans le plan X-Y. L'unité de gestion calcule la moyenne de la distribution spatiale d'intensité obtenue, l'écart - type 6 à cette moyenne, et le défaut d'uniformité à 2, 3 ou 5 6 selon le degré d'uniformité que l'on souhaite atteindre. Avec un capteur CCD de plusieurs millions de pixels situé ' une dizaine de centimètres du substrat, il est possible d'obtenir une résolution, donc un contrôle de qualité de gravure, de l'ordre quelques micromètres. Dans l'exemple, les résultats ont fourni un défaut d'uniformité de 5 %. Dans un système de production micro électronique tel qu'une machine de gravure, cet équipement permet de détecter instantanément l'apparition d'une anomalie dans le fonctionnement de la machine, la mesure se faisant in situ, en cours de traitement. Lorsque le défaut d'uniformité instantanée supérieur à un seuil fixé, par exemple à 5 ., l'unite de gestion intervient automatiquement sur le système de balayage du faisceau d'ions F pour corriger l'intensité du balayage de manière asservie à la valeur de ce défaut. Les logiciels d'asservissement sont connus de l'homme de l'art. L'invention n'est pas limitée exemples décrits et représentés. Le procédé et l'équipement selon l'invention peuvent être appliqués au contrôle de l'uniformité de tout traitement de surface ou matériau par des particules chargées, que ce soient des ions monochargés, multichargés, ou des électrons. Afin d'augmenter la résolution de la détection, pour atteindre des valeurs micrométriques, la caméra peut focaliser en zoom sur une partie de la surface à traiter. Le balayage de cette surface par la caméra peut alors être synchronisé sur le balayage du faisceau de particules. Par exemple, dans le cas d'une insolation de substrat par unité de gravure, la caméra peut être montée sur un plateau motorisé et asservi aux zones successivement irradiées. Il également possible d'utiliser plusieurs caméras monochromatiques, équipées par exemple de filtres, et combinées à un prisme ou une lame séparatrice en longueurs d'onde L' éa_uipement peut être utilisé avec tout type de substrat, car la majorité des interactions particules - surfaces produisent de la lumière Le traitement de matériaux autres que Si02 peut également être contrôlé par le procédé selon l'invention, exemple tous les matériaux semi-conducteurs, tels que Si, Ge, AsGa, SiC, SiGe, ou d'autres matériaux conducteurs tels que Cu, C, Al, Ti, etc., ou des diélectriques tels que Ti02, Ta205, Zr02, Hf02, etc., dans le domaine de microélectronique, mais aussi la silice (le verre) les polymères (les plastiques) pour les prochaines genérations de circuits intégrés, ainsi que pour la biologie. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de l'uniformité traitement de surface d'un substrat (100) par faisceau particules (F), caractérisé en ce qu'une mesure instantanée du nombre de photons émis par l'interaction particules sur la surface est effectuée en liaison avec une détection par imagerie de l'émission photonique chaque zone élémentaire de la surface définie à partir de la résolution de l'image formée, pendant toute la durée du traitement, et en ce qu'une variation de cette mesure est ensuite déterminée en fonction de la position zones d'émission, afin de déterminer une moyenne distribution spatiale d'intensité d'émission et mesurer un défaut d'uniformité de traitement proportionnellement à l'écart à cette moyenne. 2. Procédé de contrôle selon la revendication 1, dans lequel une étape de réglage ou d'arrêt du traitement est déclenchée lorsque le défaut d'uniformité est supérieur à une valeur critique prédéterminée. 3. Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une étape de mesure de l'énergie photons détectés localement est prévue afin de suivre l'état d'avancement du traitement, et d'ajuster arrêter le traitement lorsque cette énergie varie au-delà d' écart prédéterminé sur une période de temps donnée. 4. Procédé de contrôle selon la revendication 3, dans lequel une étape de mesure du nombre total de photons pour au moins un niveau d'énergie donné est prévue afin de suivre l'état d'avancement du traitement, et d'ajuster ou arrêter le traitement lorsque ce nombre varie au-delà d'un écart prédéterminé sur une période de temps donnée. 5. Procédé de contrôle selon l'une quelconque revendications précédentes, dans lequel une analyse de la distribution spatiale de l'intensité émise détermine un défaut d'uniformité local et une modulation de balayage correspondante du faisceau de particules afin de corriger ce défaut. 6. Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel des moyens de sélection en vitesse et en direction particules de traitement sont asservis à une analyse distribution spatiale de l'intensité émise, ces moyens comportant des moyens de collimation, qui sélectionnent les particules en direction. 7. Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mesure de l'uniformité du traitement du substrat est enregistrée pour tracer l'historique des paramètres des applications successives subis par chacune des tranches passant sur une ligne de production. 8. Equipement de contrôle pour mettre en #uvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un détecteur de photons (1) capable de former une image numérique, couplé à une unité de traitement du signal (S) et de gestion des données (l04). 9. Equipement de contrôle selon la revendication 8, dans lequel le détecteur de photons est une caméra numérique ou appareil photonumérique (103) équipé d'un capteur CCD qui mesure l'intensité, la longueur d'onde de la lumière émise en chaque zone élémentaire de la surface traitée correspondant à chacun de ses pixels et, après calibrage, le nombre photons (1) reçus par chaque pixel. 10. Equipement de contrôle selon la revendication 9, dans lequel l'unité de traitement des données (104) détermine une évolution d'intensité des couleurs dominantes pour suivre l'évolution du traitement et ajuster ou arrêter ce traitement lorsque rapport varie sensiblement. 11. Equipement de contrôle selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le détecteur de photons est refroidi par un dispositif à effet Peltier. 12. Equipement de contrôle selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le détecteur de photons est refroidi par un fluide cryogénique. 13. Equipement de contrôle selon l'une quelconque revendications 8 à 12, dans lequel des moyens de selection des particules commandées par l'unité de gestion (104) en fonction des mesures effectuées comportent ensemble de caches réglables pour ajuster localement flux de particules afin de compenser le défaut d'uniformité. Equipement de contrôle selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, dans lequel, afin d'augmenter la résolution de la détection, le détecteur de photons focalise en zoom sur une partie de la surface à traiter, balayage de cette surface par le détecteur de photons pouvant alors être synchronisé sur le balayage du faisceau ions. 15. Equipement de contrôle selon la revendication 14, dans lequel le détecteur de photons est monté sur un plateau motorisé et asservi aux zones successivement irradiées. 16. Equipement de contrôle selon la revendication 14, dans lequel plusieurs détecteurs de photons monochromatiques sont utilisées en combinaison avec un élément séparateur en longueurs d'onde.