Brevet FR2820880A1 — publié le 20020816

SOURCE D'IONS MULTICHARGES. L'invention a pour objet une source d'ions multichargés, pouvant être mise en oeuvre dans une application de type gravure de matériaux semi- conducteurs. Une source d'ions multichargés comprend généralement une chambre à vide, dans laquelle un gaz est introduit, ce gaz correspondant à la nature des ions que l'on désire générer, par exemple de l'argon, un générateur d'ondes électromagnétiques de très haute fréquence, qui forme un plasma pour ioniser le gaz, et enfin un champ magnétique d'intensité et de forme telles que les électrons parcourent une distance importante à l'intérieur de ce champ magnétique, afin de provoquer un nombre élevé de collisions avec les ions du plasma. Dans cette structure magnétique, il existe une surface équimodule de champ magnétique, appelée surface de résonance cyclotronique électronique, sur laquelle la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique est égale à la fréquence de l'onde Haute Fréquence injectée dans le plasma, d'où le nom de source à Résonance Cyclotronique Electronique, en abrégé ECR (initiales de Electron Cyclotron Resonance en terminologie anglosaxonne). A chaque traversée de cette surface, les électrons gagnent de l'énergie cinétique, ce qui leur permet par collision d'ioniser les espèces présentes dans le plasma et de former une population d'ions fortement chargés. La source comprend également un orifice d'extraction des ions formés. Les sources d'ions sont réparties selon trois grandes catégories : --- les sources PIG (initiales de Penning Ion Beam)), c'est-àdire canon à ions Penning en dénomination anglo-saxonne), qui permettent de générer des ions de charge pouvant atteindre 4+, avec une densité ionique de l'ordre de 1016 ions/s pour les ions 1+ ; --- les sources ECR qui permettent de générer des ions de charge élevée, typiquement une densité de 1012 ions/s de plomb Pb25+, et de 1014 ions/s d'argon Ar8+ ; --- les sources EBIS (initiales de Electron Beam Ion Source)), c'est-à-dire source d'ions à faisceaux d'électrons) qui permettent de générer des ions de charge extrêmement élevée mais en faible quantité, comme 103 ions/s de U, avec une densité ionique de l'ordre de 109 ions par seconde. Il est possible de distinguer 5 niveaux de sources ECR, classés selon la charge de l'ion généré, et la puissance consommée : - (a) pour des ions ayant des charges comprises entre +1 et +3, la fréquence de l'onde radiofréquence est de 2,45 GHz, le champ magnétique est de 0,0875 Teslas (symbole T), et la puissance consommée de l'ordre de 70 kW ; - (b) pour des ions ayant des charges comprises entre +8 et +10, la fréquence de l'onde radio fréquence est de 10 GHz, le champ magnétique de 0,3T, et la puissance consommée de l'ordre de 70 kW ; - (c) pour des ions ayant des charges comprises entre +10 et +15, la fréquence de l'onde radio fréquence est de 14,5 GHz, pour un champ magnétique de 0,5T et une consommation de l'ordre de 120 kW ; - (d) pour des ions ayant des charges comprises entre +15 et +20, la fréquence de l'onde électromagnétique est de 18 GHz, le champ magnétique de 0,7T, et la puissance consommée de 180 kW ; et - (e) pour des ions ayant des charges supérieures à +20, la fréquence est de 28 GHz, le champ magnétique de 1T, et la puissance consommée est de l'ordre de 240 kW. Il faut souligner que la puissance consommée est due, pour plus de 80%, à la consommation de l'électro-aimant qui produit le champ magnétique. Dans ces conditions, l'optimisation de la consommation de l'électro-aimant est un facteur clé dans la réalisation des sources, non seulement pour les coûts de fabrication mais également pour les coûts d'utilisation de ces sources. Dans le cas plus particulier des sources produisant des ions de charge supérieure à +10 (sources du type (c), (d), ou (e)), le champ magnétique a une forme spécifique visant à concentrer les ions au centre de la chambre à vide, comme illustré par la vue en coupe de la figure 1 le long de l'axe X'OX de la chambre 1. Afin d'empêcher les ions de toucher les parois de la chambre 1, les ions sont réfléchis par des champs magnétiques plus importants produits au niveau des parois opposées ta et 1b de la chambre à vide 1, sur lesquelles débouchent respectivement l'entrée 2a de l'onde d'ionisation du gaz dans la chambre et la sortie 2b d'extraction des ions (flèche F) de cette chambre. Le gaz est introduit par l'entrée 3 puis ionisé par l'onde de type radiofréquence. Les électrons circulent alors à l'intérieur de ce volume en réalisant un nombre important d'allées et venues pour augmenter leur chance de collision. Pour obtenir l'effet de concentration recherché, le champ magnétique CM peut présenter, comme illustré par le diagramme de la figure 2, deux pics, Ma et Mb, au niveau des parois d'extrémité 1a et 1b et un minima me (de l'ordre de 0, 5 T), au centre de la chambre : les ions se déplacent ainsi en étant repoussés aux deux parois extrêmes par des champs plus importants qu'au centre. Le maxima Mb (de l'ordre de 1, 5T) situé du côté de la paroi d'extraction des ions 1b est plus faible que l'autre maxima Ma (de l'ordre de 2T). Les ions qui passent au-dessus du pic de 1, 5T sont extraits de la chambre. L'extraction des ions s'effectue donc du coté où le champ magnétique est le plus faible. Le champ central (0, 5T) est calculé pour assurer une concentration suffisante du plasma, afin qu'il ne touche pas les parois d'extrémité. De plus, le déplacement des électrons, qui baignent dans le plasma, est effectué sur des trajectoires hélicoïdales dans un champ magnétique, ce qui augmente encore la probabilité de collision. Equipée d'une telle chambre, une source selon l'état de la technique présente une structure du type de celle représentée en coupe sur la figure 3. Cette source comporte un ensemble de bobines 10 qui produit le pic magnétique Mb de 1, 5T (voir figure 2). La partie centrale C de la chambre 1 est entourée d'un jeu d'aimants 20 qui fournit un champ radial, et un troisième jeu de bobines 30 qui produit le pic magnétique Ma de 2T (voir figure 2). Afin d'augmenter le champ produit par les bobines, il est possible d'ajouter des pièces polaires magnétiques complémentaires afin de réduire les fuites magnétiques extérieures. Cependant, ce type de source présente l'inconvénient majeur de nécessiter une très grande consommation d'électricité, ce qui entraîne l'utilisation complémentaire d'un appareillage de refroidissement de même puissance. L'ensemble représente donc un coût important à l'achat et à l'utilisation. Pour réduire sensiblement ces inconvénients, l'invention propose une source équipée d'un électroaimant particulier qui produit un champ magnétique du type de ceux décrits précédemment, en forme et en intensité, mais qui présente un rendement considérablement plus élevé, si bien que les coûts de fabrication et d'exploitation sont notablement réduits. Plus précisément, l'invention a pour objet une source d'ions multichargés, comportant un réacteur d'ionisation composé d'une paroi latérale de révolution et de deux parois d'extrémité, une paroi d'extraction d'ions et une paroi d'entrée, et couplé à une entrée de gaz à ioniser, à un guide d'onde d'ionisation et à un extracteur d'ions en liaison avec la paroi d'extraction. Cette source comporte également un électroaimant comprenant deux pièces polaires disposées en regard des parois d'extrémité du réacteur, respectivement un pôle d'extraction et un pôle d'entrée, ainsi que des bobines d'excitation correspondantes. La pièce polaire d'extraction est percée d'un alésage apte à loger l'extracteur d'ions et des électrodes de concentration d'ions, les pièces polaires sont refermées par une pièce massive magnétique de fermeture de flux, et les pièces polaires ainsi que les bobines sont dimensionnées pour produire un pic d'intensité de champ magnétique au niveau de chaque paroi d'extrémité du réacteur, et un champ magnétique sensiblement inférieur et constant dans la partie centrale du réacteur. Selon des modes de réalisation particuliers : - la pièce polaire d'entrée est percée d'un alésage longitudinal pour loger le guide d'onde ; - le guide d'onde est disposé entre les deux pièces polaires, perpendiculairement à l'axe longitudinal ; - l'une au moins des pièces polaires est dimensionnée pour fournir au niveau de la paroi d'extraction un pic de champ d'intensité inférieure à l'intensité du pic au niveau de la paroi d'entrée d'ions ; - des aimants de réglage de champ magnétique radial sont disposés le long de la paroi latérale du réacteur ; - des bobines d'ajustement de fin de champ sont disposées aux extrémités de la paroi latérale du réacteur pour ajuster les gradients de champ magnétique dans le réacteur entre les pics et le niveau inférieur de la partie centrale du réacteur ; - les faces avant des pôles présentent des chanfreins inclinés selon un angle compris entre environ 30 et 45 degrés, les embouts formés par les chanfreins, présentant alors du diamètre respectivement inférieur (ou égal) et faiblement supérieur au diamètre du réacteur ; - le matériau est du fer doux sans rémanence, présentant par exemple une induction d'environ 20 Kgauss. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui suit d'un exemple de réalisation détaillé, en référence aux figures annexées autres les figures 1 à 3 de l'état de la technique déjà commentées, et qui représentent respectivement : - la figure 4, un schéma vu en coupe de la structure de l'exemple de réalisation de la source selon l'invention ; - la figure 5, le diagramme d'intensité du champ magnétique dans l'entrefer de l'électroaimant avec, en regard, la position correspondante des demi-profilés des pôles vus en coupe ; - la figure 6, les lignes de champ radiales du champ magnétique dans l'entrefer, perpendiculairement à l'axe Y'Y ; et - la figure 7, l'intensité des lignes de champ radiales du champ magnétique dans l'entrefer. Sur la vue en coupe de la figure 4, un exemple de source d'ions conforme à l'invention illustrée comporte un électroaimant 100 à fermeture de flux, comprenant deux pôles : un premier pôle magnétique 101 profilé, percé à son extrémité d'une ouverture centrale 103, d'environ 12 mm de diamètre, prolongée par un alésage interne 105 de plus grand diamètre que l'ouverture 103, pour le passage d'un extracteur d'ions 107, la mise en place d'électrodes de concentration 109 du flux des ions extraits, ainsi que tous les autres organes attachés à l'extracteur (non représentés) ; et un second pôle magnétique 102 profilé, percé d'un alésage central 104 de passage d'un guide d'onde radiofréquence 106 pour l'ionisation du gaz. Les pôles présentent des faces avant F1 et F2 chanfreinées en regard l'une de l'autre, et des faces arrières opposées, F'1 et F'2. Ces pôles sont joints l'un à l'autre par leur face arrière à l'aide d'une pièce massive magnétique de fermeture de flux 110, afin de minimiser les pertes extérieures magnétiques et concentrer le champ entre les deux pôles magnétiques. L'ensemble polaire comportant les pôles et la pièce de fermeture présente ainsi une forme de fer à cheval . Les deux pôles sont séparés par un entrefer défini entre les faces F1 et F2 en regard, distantes d'environ 200 mm, et dans lequel le réacteur 120 de la source est positionné. Le réacteur présente une paroi cylindrique latérale PO ayant un diamètre DO d'environ 150 mm, le long de laquelle il est possible de disposer en option des aimants 200. L'ajout de ces aimants permet de renforcer la concentration du plasma au centre du réacteur par augmentation du champ en direction radiale. Le réacteur est connecté par ses parois opposées P1 et P2 respectivement à l'extracteur d'ions 107 et au guide d'onde radiofréquence 106. L'introduction des gaz dans le réacteur se fait par une entrée 300 entre les pièces polaires. Les pièces polaires, le réacteur, les aimants et bobines sont de révolution autour ou s'étendent parallèlement à un axe longitudinal Y'Y. Les pôles magnétiques 101 et 102 présentent une surface externe cylindrique coiffée d'une bobine magnétique, respectivement référencée B1 et B2 sur la figure. Chaque bobine est dimensionnée afin de générer un champ magnétique prédéterminé. Les aimants centraux 200 sont coiffés de bobines d'ajustement de champ 130, destinées à permettre un réglage fin de l'intensité du champ à l'intérieur du réacteur, en particulier aux niveaux des parois d'extrémité du réacteur. Les pôles magnétiques 101 et 102 sont profilés afin de générer des champs magnétiques, dont le diagramme de variation d'intensité) (T) sur l'axe central Y'Y est représenté en figure 5. Les positions correspondantes des profilés des pôles, vus en demi-coupe supérieure, sont également indiquées en regard du diagramme. Le champ magnétique présente un niveau supérieur, un pic d'intensité de l'ordre de 1,5 T près de la surface intérieure du pôle 101, limitée par l'alésage interne 105 (figure 4), et décroît rapidement hors du pôle en direction de la partie centrale C de l'entrefer. Dans cette partie centrale C de l'entrefer, le champ magnétique conserve approximativement une valeur minimale d'environ 0,5 T. Le champ magnétique augmente ensuite fortement près de la surface intérieure du pôle 102 profilé pour fournir un pic supérieur d'intensité d'environ 2 T. Les dimensions et matériaux des pôles, ainsi que des bobinages B1, B2 et 130, sont optimisés afin de fournir une intensité du champ au niveau des parois et au centre du réacteur 120, ainsi que des gradients de champs élevés correspondants, aptes à former un effet miroir aux ions d'efficacité optimale. Par exemple, les faces avant F1 et F2 présentent des chanfreins inclinés selon des angles 01 et 02 compris entre environ 30 et 45 degrés, les embouts E1 et E2 des faces avant formés par les chanfreins, présentant alors des diamètres D1 et D2 respectivement inférieur (ou égal) et faiblement supérieur au diamètre DO du réacteur. Les matériaux sont généralement du fer doux qui n'a pas de rémanence, et qui a une induction de 20 KGauss. Si l'on observe le profil du champ magnétique radial fourni par l'électroaimant, dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal Y'Y comme représenté en figure 6, les lignes de champ L1 à L3 sont circulaires du fait de la symétrie autour de l'axe Y'Y, et présentent une intensité Ir qui diminue le long de l'axe Z'Z perpendiculaire à l'axe Y'Y, lorsque l'on se rapproche de t'axe longitudinal Y'Y, comme illustré par la figure 7 : L'optimisation d'un tel électroaimant est de la compétence de l'homme de l'art. A titre de comparaison, un tel électroaimant, produisant les champs requis en forme et en intensité, consomme environ 8 à 10 kW. Son poids est de l'ordre de 1,5 à 2 tonnes. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Par exemple, il est possible que la pièce polaire en amont du réacteur ne soit pas percée, le guide d'onde étant alors réalisé entre les deux pièces polaires, perpendiculairement à l'axe longitudinal. L'ajustement des profils et des intensités de champ peut s'effectuer à l'aide des multiples paramètres de manière connue de l'homme de l'art, comme la distance des pôles par rapport au réacteur, le matériau des pôles, etc. Par ailleurs, la forme du champ selon l'axe radial peut être optimisée en dimensionnant les alésages dans les pôles en position et en diamètre, afin de permettre, à la fois, le passage du guide d'onde, l'extraction des ions, et également le maintien du champ selon l'axe radial selon la forme de baignoire illustrée par la figure 7, pour contribuer à garder le plasma au centre du réacteur. REVENDICATIONS 1. Source d'ions multichargés (100), comportant un réacteur d'ionisation (120) composé d'une paroi latérale de révolution (PO) et de deux parois d'extrémité (P1, P2), une paroi d'extraction d'ions (P1) et une paroi d'entrée (P2), et couplé à une entrée de gaz à ioniser ( (300), à un guide d'onde d'ionisation (106) et à un extracteur d'ions (107) en liaison avec la paroi d'extraction (P1), caractérisée en ce que la source comporte également un électroaimant comprenant deux pièces polaires (101,102) disposées en regard des parois d'extrémité (P1, P2) du réacteur (120), respectivement un pôle d'extraction (101) et un pôle d'entrée (102), ainsi que des bobines d'excitation correspondantes (B1, B2), la pièce polaire d'extraction (101) est percée d'un alésage (105) apte à loger l'extracteur d'ions (107) et des électrodes de concentration d'ions (109), en ce que les pièces polaires (101,102) sont refermées par une pièce massive magnétique de fermeture de flux (110), et en ce que les pièces polaires (101,102) et les bobines (B1, B2) sont dimensionnées pour produire un pic d'intensité de champ magnétique (Ma, Mb) au niveau de chaque paroi d'extrémité du réacteur (P1, P2), et un champ magnétique sensiblement inférieur et constant dans la partie centrale (C) du réacteur (120). 2. Source d'ions selon la revendication 1, dans laquelle la pièce polaire d'entrée (102) est percée d'un alésage longitudinal (104) pour loger le guide d'onde (106). 3. Source d'ions selon la revendication 1, dans laquelle le guide d'onde est disposé entre les deux pièces polaires (101,102), perpendiculairement à l'axe longitudinal (Y'Y). 4. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'une au moins des pièces polaires (101,102) est dimensionnée pour fournir au niveau de la paroi d'extraction (P1) un pic de champ d'intensité (Mb) inférieure à l'intensité du pic (Ma) au niveau de la paroi d'entrée d'ions (P2). 5. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle des aimants de réglage (200) de champ magnétique radial sont disposés le long de la paroi latérale du réacteur (PO). 6. Source d'ions selon la revendication précédente, dans laquelle des bobines d'ajustement de fin de champ (130) sont disposées aux extrémités de la paroi latérale du réacteur (PO) pour ajuster les gradients de champ magnétique dans le réacteur entre les pics et le niveau inférieur de la partie centrale (C) du réacteur. 7. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle les faces avant (F1, F2) des pôles présentent des chanfreins inclinés selon un angle (6) compris entre environ 30 et 45 degrés, les embouts (E1, E2) formés par les chanfreins présentant alors des diamètres (D1, D2) respectivement inférieur (ou égal) et faiblement supérieur au diamètre (DO) de la paroi latérale (PO) du réacteur. 8. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau des pièces polaires (101,102) et de la pièce de fermeture (110) est du fer doux sans rémanence.