Brevet FR2849266A1 — publié le 20040625

MACHINE DE TRAITEMENT UNIFORME DE SURFACES D'ECHANTILLONS PAR PROJECTION D'IONS MULTICHARGES. L'invention a pour objet une machine de traitement 5 uniforme de surfaces de matériaux, utilisant des faisceaux ions lents multichargés de très basse énergie cinétique, ces traitements permettant d'induire des modifications nanométriques ou sub-nanométriques, physiques ou chimiques, à la surface des échantillons exposés au faisceau d'ions. On connaît dans l'état de la technique différents équipements pour la projection d'ions multichargés A titre d'exemple, le brevet européen EP 0483004 décrit une source d'ions positifs fortement chargés à résonance cyclotronique électronique comportant: une cavité hyperfréquence présentant un axe de symétrie (X) ; une entrée haute fréquence débouchant dans la cavité pour y créer un champ électromagnétique de haute fréquence; une introduction de gaz dans la cavité ; des moyens de production d'un champ magnétique selon l'axe dans ladite cavité ; des moyens de production d'un champ magnétique radial multipolaire dans cette cavité, la superposition de 25 ces champs magnétiques axial et radial formant un champ magnétique résultant réparti dans toute la cavité et définissant au moins une surface équimagnétique (S) complètement fermée à l'intérieur de la cavité ; des moyens d'extraction des ions à l'extrémité 30 de la cavité, une sonde polarisable en tension pour améliorer l'ionisation du gaz et augmenter ainsi le flux d'ions extrait, réalisée en métal émetteur d'électrons, disposée en amont des moyens d'extraction et n'ayant aucun contact 35 avec la surface équimagnétique. Un autre brevet de l'art antérieur, le brevet allemand DE 4226299 décrit un équipement comprenant une chambre à plasma dans laquelle on fait le vide nécessaire pour pouvoir produire du plasma et dans laquelle les micro5 ondes sont introduites, une électrode à plasma et une électrode d'extraction à travers lesquelles les ions produits sont extraits du plasma Un champ d'extraction est généré entre l'électrode à plasma et l'électrode d'extraction, en raison de la différence de tension 10 (environ 20 k V) La chambre à plasma est munie d'un ou de plusieurs four(s) d'évaporation de matière qui permettent de produire des plasmas et ainsi des ions de n'importe quels éléments Un faisceau électronique lancé de manière électrique ou magnétique, produit dans l'électrode 15 d'extraction, est superposé au faisceau ionique provenant de la chambre à plasma et traversant l'électrode à plasma et l'électrode d'extraction, de manière qu'il se forme un canal d'extraction avec compensation de charge d'espace pour les ions. De façon générale, les systèmes de production de faisceaux d'ions multichargés de l'art antérieur, utilisés par la recherche ou l'industrie sont équipés de différents types de sources d'ions, parmi lesquelles: des sources d'ions à Résonance Cyclotronique 25 lectronique, appelées sources ECR (Electron Cyclotron Resonance en anglais), dans lesquelles les ions sont créés dans un plasma confiné par champ magnétique et dont les électrons sont chauffés par radiofréquence Ces sources sont capables en particulier de produire des courants 30 intenses de faisceaux d'ions bassement à moyennement chargés. des sources d'ions à faisceau d'électrons, appelées sources EBIS (Electron Beam Ion Sources, en anglais) , dans lesquelles les ions sont produits par 35 collision avec un faisceau d'électrons d'énergie cinétique ajustable et comprimé dans un champ magnétique Ces sources sont capables de produire en particulier des courants faibles d'ions très fortement chargés. des sources d'ions à décharge électronique, dans 5 lesquelles les ions sont créés par collision avec les électrons d'une décharge électronique. des sources d'ions à laser dans lesquelles les ions sont créés lors de l'impact d'un faisceau laser sur un matériau. Le désavantage de ces sources d'ions est qu'elles ne permettent pas de produire des ions multichargés en quantité suffisante pour permettre de réaliser des procédés rapides lorsque les ions sont extraits de ces sources directement à très basse énergie cinétique Un autre 15 désavantage de ces sources d'ions est que les faisceaux d'ions qu'elles produisent n'ont pas une uniformité suffisante pour permettre la réalisation de traitements de surface de la qualité nécessaire pour les traitements de surface envisagés Un désavantage des faisceaux d'ions 20 créés par de telles sources, lorsqu'ils sont intenses et lorsque les échantillons sont peu conducteurs, est qu'ils génèrent des charges positives indésirables sur la surface de l'échantillon traité, induisant des modifications parfois indésirables des propriétés physiques de la 25 surface Un autre désavantage de ces faisceaux d'ions, lorsqu'ils sont intenses, est qu'ils peuvent générer lors de leur transport sous vide un grand nombre de particules qu'il est impossible de décélérer correctement, ce qui peut provoquer des défauts sous la surface de l'échantillon à 30 traiter Ces problèmes font que les machines existantes permettant d'utiliser des ions de très basse énergie cinétique ne peuvent réaliser avec une qualité suffisante les procédés de traitement de surface visés, c'est-à-dire la production de modifications physiques ou chimiques, de dimensions nanométriques ou sub-nanométriques, à la surface des échantillons traités. La présente invention vise à pallier à ces inconvénients, en proposant de coupler un système de 5 production de faisceaux d'ions à un premier système décélérateur permettant d'obtenir des ions de très basse énergie cinétique au niveau de la surface de l'échantillon à traiter, et à un second système de balayage du faisceau d'ions sur la tranche de l'échantillon à traiter permettant 10 d'obtenir une uniformité de traitement satisfaisante pour les procédés visés Dans l'industrie du semiconducteur, par exemple, un procédé de traitement de surfaces standard a une uniformité généralement comprise entre 95 % et 99,99 %, et ce sur toute la surface de l'échantillon à 15 traiter. Pour ce faire, l'invention a pour objet une machine de traitement uniforme de surfaces d'échantillons par projection d'ions multichargés de très basse énergie cinétique, comportant: un ensemble de production de faisceau d'ions, permettant de produire sous vide un faisceau d'ions multichargés, triés ou non en fonction du rapport de leur masse sur leur charge; des moyens de décélération électrostatique 25 permettant la décélération des ions à l'approche de la surface de l'échantillon à traiter, des moyens de balayage permettant à la surface de l'échantillon à traiter d'être balayée par le faisceau d'ions pour obtenir l'uniformité de traitement voulue, des moyens de maintien mécanique d'échantillons permettant de présenter la surface des échantillons à traiter face au faisceau d'ions pendant le traitement, des moyens de production de vide, telles des pompes à vide, montés sur des enceintes à vide à l'intérieur desquelles se situe l'échantillon traiter et circule le faisceau d'ions. Selon des modes de réalisation particuliers: la machine comporte un système permettant de 5 neutraliser les charges positives apparaissant sur ladite surface pendant le traitement Un objectif de ce système est de permettre aux ions de ne pas être empêchés d'atteindre la surface en subissant une répulsion électrostatique provoquée par la présence de charges 10 positives sur ladite surface, ces charges ayant été créées par les ions ayant préalablement interagi avec ladite surface, la conséquence étant que la distribution en énergie des ions atteignant la surface se trouve la plus réduite possible Un autre objectif de ce système est 15 d'améliorer la qualité du traitement, dans le cas o la présence de charges positives à la surface de l'échantillon soit indésirable Cette neutralisation peut être effectuée par bombardement de la surface par des électrons assez lents pour ne pas induire de modifications indésirables de 20 la surface Dans une version de la machine, ces électrons peuvent être produits par un ou plusieurs canons à électrons, disposé(s) à proximité de la surface de l'échantillon à traiter, entre les électrodes du système décélérateur et la surface de l'échantillon, de manière à 25 ne pas gêner le passage des ions du faisceau Dans une version différente de la machine, les électrons peuvent être produits par un canon à électrons à symétrie cylindrique, situé à proximité de la surface de l'échantillon à traiter, dans l'axe duquel passe le 30 faisceau d'ions Ce canon à électron peut comporter par exemple un filament circulaire polarisé. la machine comporte un système permettant d'éliminer du faisceau d'ions les ions ayant changé de charge en capturant un ou plusieurs électrons par 35 interaction avec le gaz résiduel présent dans les enceintes à vide Ce système agit en faisant subir une déflexion d'un angle quelconque non nul au faisceau d'ions Cette déflexion étant moins intense lorsque la charge des ions est plus faible, cela permet de faire sortir du faisceau 5 principal les particules parasites du faisceau, dont la charge est plus faible, et de les stopper avec des moyens mécaniques tels des plaques métalliques Dans une version de la machine, la déflexion induite au faisceau est réalisée en imposant au faisceau d'ions un champ électrique 10 créé par les électrodes d'un système de déflexion électrostatique Dans une autre version de la machine, cette déflexion est réalisée en imposant un champ magnétique produit par un aimant ou un électro-aimant Dans le cas d'un champ électrique, celui-ci peut-être produit 15 par des électrodes polarisées et se faisant face, au milieu desquelles circule le faisceau Ces électrodes peuvent avoir, entre autres possibilités, des formes planes, ou hémicylindriques, ou hémisphériques, ces types d'électrodes permettant respectivement d'obtenir après la déflexion un 20 faisceau de meilleure qualité optique. Selon une variante, la machine comporte un système de contrôle, utilisant un système d'acquisition d'images, et permettant de mesurer la distribution spatiale d'intensité des photons émis depuis la zone d'interaction 25 du faisceau d'ions avec la surface à traiter Le système d'acquisition d'image peut comporter, par exemple, une ou plusieurs caméras CCD (Charge Coupled Devices, en anglais). Ce système peut aussi comporter des filtres optiques, permettant d'observer uniquement les photons qui sont émis 30 depuis la surface, à une longueur d'onde ou dans une gamme de longueurs d'ondes donnée Ce système permet de suivre le procédé de traitement de surface, dans la mesure o il permet de mesurer l'épaisseur des couches de matériaux qui peuvent recouvrir la surface de l'échantillon, ainsi que de 35 connaître la nature du matériau présent à la surface. la machine comporte un système de contr 6 ôle utilisant un filtre optique couplé à un compteur de photons pour mesurer l'évolution du flux de photons émis depuis la surface de l'échantillon pendant le traitement, dans une 5 gamme de longueurs d'ondes données ou à une longueur d'onde donnée Ce système peut par exemple être constitué de lentilles optiques concentrant les photons, d'une fibre optique guidant les photons vers un monochromateur optique, couplé à un détecteur de photons permettant le comptage Un 10 filtre peut être ajouté à ce système pour permettre de ne détecter que les photons émis depuis la surface à une longueur d'onde donnée ou dans une ou plusieurs gammes de longueur d'ondes données. la machine comporte un système de modulation 15 thermique associé au système de maintien d'échantillons permettant d'ajuster la température de l'échantillon à traiter Dans une version de la machine, ce système est constitué d'une résistance chauffante située à proximité de l'échantillon à traiter Dans une autre version de la 20 machine, ce système permet de refroidir l'échantillon, étant constitué d'un tube creux, tel un serpentin, situé aussi à proximité ou au contact de l'échantillon à traiter et dans lequel circule un fluide réfrigérant, tels ceux connus de l'homme de l'art, comme par exemple de l'azote 25 liquide La température de l'échantillon peut être mesurée à l'aide de systèmes connus de l'homme de l'art tels une sonde à thermocouple mise au contact de l'échantillon, ou un système de mesure du rayonnement émis par l'échantillon, par exemple dans le domaine infrarouge. la machine comporte un système mécanique permettant de changer l'orientation de la surface de l'échantillon à traiter, ceci afin de rendre la machine compatible avec un mode de transfert d'échantillons qui utilise une orientation différente Dans la machine, la 35 surface de l'échantillon à traiter peut être orientée dans toutes les directions possibles, car l'orientation des différents sous-ensembles de la machine peut être quelconque L'orientation de la machine peut être choisie en fonction de différents critères Dans une version de la 5 machine, la surface de l'échantillon à traiter est orientée vers le bas, de façon à la rendre compatible avec certains systèmes existants de transfert d'échantillons sous vide qui utilisent cette orientation, en particulier ceux utilisés dans certaines machines de dépôt sous ultra-vide 10 par épitaxie par jet moléculaire (MBE, ou Molecular Beam Epitaxy, en anglais) Un autre objectif de cette orientation vers le bas est qu'elle permet d'éviter que des poussières ne se déposent par gravité sur la surface de l'échantillon Dans une autre version de la machine, la 15 surface de l'échantillon à traiter est orientée vers le haut de façon à la rendre compatible avec certains systèmes existants de transfert d'échantillons sous vide qui utilisent cette orientation, en particulier ceux utilisés dans l'industrie du silicium Un autre objectif de cette 20 orientation vers le haut est qu'elle permet à l'échantillon, en particulier lorsqu'il est de grande taille et de faible épaisseur, de reposer entièrement par gravité sur son support et ainsi de rester plan D'autres systèmes de transfert d'échantillon existent dans lesquels 25 la surface des échantillons est à la verticale La machine peut aussi traiter des échantillons dont la surface est à la verticale, en changeant l'orientation des sous-ensembles qui la constituent Un objectif du système mécanique prévu dans l'invention est qu'il permet d'adapter la machine à 30 tout système de transfert d'échantillon, en changeant l'orientation de la surface de l'échantillon dans son transfert de la machine au système de transfert, et viceversa. la machine comporte un ensemble de contrôle 35 composé de modules électroniques et de logiciels, permettant en particulier de régler les paramètres de la machine et d'effectuer le traitement de la surface de l'échantillon en utilisant uniquement les paramètres du procédé que l'utilisateur souhaite voir réalisé Ainsi, les 5 utilisateurs n'ont pas besoin de connaître le fonctionnement de la machine visée par l'invention en détail Cet ensemble de contrôle peut aussi gérer le fonctionnement d'autres organes de la machine, comme par exemple ceux concernant la sécurité de l'utilisateur et le 10 fonctionnement des groupes de pompage de gaz. l'ensemble de production d'ions de la machine comporte une source d'ions du type ECR Cette source d'ions peut être isolée électriquement du reste de la machine, afin d'être portée à une tension électrique choisie par 15 l'utilisateur C'est la valeur de cette tension, combinée aux valeurs des tensions des autres parties de la machine, qui fixe l'énergie cinétique des ions dans le faisceau. Cette tension peut être variable, réglable par l'utilisateur, de façon à faire varier l'énergie cinétique 20 des ions D'autres sources d'ions générant des ions multichargés peuvent aussi être utilisées sur la machine. Lorsque ces sources d'ions sont portées à la tension, elles sont isolées du reste de la machine par une enceinte, afin de protéger l'utilisateur contre les risques de choc 25 électrique De même, lorsque ces sources d'ions émettent des rayonnements ionisants pendant leur fonctionnement, l'enceinte de protection peut comporter un matériau absorbant ces rayonnements ionisants afin de protéger l'utilisateur. l'ensemble de production d'ions de la machine comporte, connecté à la source d'ions, un système d'extraction d'ions à plusieurs électrodes Ce système permet d'extraire les ions de la source d'ions à haute vitesse, afin d'optimiser le courant d'ions produit par la 35 source et les qualités optiques du faisceau, puis de les décélérer afin qu'ils soient transportés dans la ligne de faisceau à plus basse vitesse. l'ensemble de production d'ions de la machine comporte des moyens magnétiques permettant de trier les 5 ions en fonction du rapport de leur masse sur leur charge, et de sélectionner l'espèce ionique avec laquelle l'utilisateur souhaite réaliser le traitement de surface. Dans une version de la machine, ces moyens magnétiques comportent un électroaimant, le faisceau d'ions circulant 10 dans la chambre à vide située dans l'entrefer de cet aimant, le champ magnétique dans l'entrefer étant ajusté par le réglage du courant électrique qui circule dans les bobines de l'aimant La chambre à vide de l'électroaimant peut être isolée électriquement de celui-ci, afin d'être 15 polarisée à une tension qui, combinée aux tensions des autres parties de la machine, règlent la vitesse des ions dans leur passage au milieu de l'électroaimant Les moyens magnétiques peuvent aussi comporter un aimant permanent, lorsque l'utilisateur ne souhaite utiliser qu'une seule 20 espèce ionique pour les traitements de surface qu'il souhaite réaliser, ou lorsque l'utilisateur souhaite choisir l'espèce ionique de travail en faisant varier la vitesse des ions dans l'entrefer de l'aimant, et non en faisant varier le champ magnétique comme dans le cas 25 précédent L'avantage d'un aimant permanent est qu'il permet de réduire le cot et l'encombrement de la machine. Lorsque les moyens magnétiques sont absents, le traitement de surface utilise tous les ions qui sont produits par la source d'ions L'avantage, dans ce dernier cas, est que le 30 courant disponible pour les traitements de surface peut être plus important. l'ensemble de production de faisceau d'ions de la machine comporte des enceintes à vide munies de jeux de fentes, ces derniers étant composés de plaques métalliques 35 montées, permettant de réduire les dimensions transverses du faisceau d'ions, les enceintes et les jeux de fentes étant isolables électriquement du reste de la machine, et polarisables, afin de permettre de faire varier la vitesse d'ions du faisceau Un objectif de ces jeux de fentes est 5 qu'ils permettent d'améliorer le tri des ions et les qualités optiques du faisceau d'ions Les plaques constituant les jeux de fentes peuvent être fixes, ou montées sur des systèmes de translation mécanique permettant à l'utilisateur de la machine visée par 10 l'invention de régler leurs dimensions Les systèmes de translation peuvent aussi être motorisés Des diaphragmes peuvent être utilisés en lieu et place des fentes. l'ensemble de production de faisceau d'ions de la machine comporte des systèmes d'acquisition d'images 15 disposés le long de la ligne de faisceau, permettant d'observer les photons émis lorsque les ions du faisceau frappent les plaques dont sont constitués les jeux de fentes Un objectif de ce dispositif est de permettre le réglage de la trajectoire du faisceau d'ions par 20 l'utilisateur Un autre objectif est de permettre de mesurer l'uniformité du faisceau d'ions à différents emplacements le long de son parcours dans la ligne de faisceau. le système de décélération du faisceau d'ions est 25 composé d'une ou plusieurs électrodes polarisables à symétrie cylindrique, à l'intérieur desquelles circule le faisceau d'ions Un objectif de ce dispositif est de décélérer les ions du faisceau jusqu'à une très basse énergie cinétique, d'une manière telle que leur trajectoire 30 puisse rester le plus possible perpendiculaire à la surface de l'échantillon Dans une autre version de la machine visée par l'invention, il existe un espace entre l'électrode du système de décélération qui se situe le plus près de la surface de l'échantillon, et la surface de 35 l'échantillon, espace dans lequel sont installés les moyens de neutralisation Un objectif de cette configuration est que les électrons circulent dans une zone o le potentiel électrostatique est peu différent du potentiel électrostatique de la surface, ce qui a pour but de 5 minimiser l'accélération subie par ces mêmes électrons lorsqu'ils se dirigent vers la surface de l'échantillon. Dans une autre version de la machine visée par l'invention, la première électrode par laquelle passe le faisceau d'ions lorsqu'il pénètre dans le système de décélération est 10 polarisée de telle sorte que les électrons qui seraient produits en aval du système soient repoussés, et ne puissent pas pénétrer à l'intérieur du système de décélération ni atteindre la surface de l'échantillon. Cette première électrode a pour effet d'accélérer les ions 15 entrant dans le système de décélération, les ions étant décélérés ensuite par le champ électrique créé par la différence de potentiel électrostatique existant entre la ou les électrodes du système de décélération, et la surface de l'échantillon. dans une version de la machine, le système de balayage comporte des moyens électromagnétiques qui permettent de défléchir la trajectoire du faisceau de manière à ce qu'il puisse interagir avec toute partie de la surface Ces moyens électromagnétiques peuvent être 25 constitués d'un ou plusieurs électroaimants, entourant une chambre à vide dans laquelle circule le faisceau d'ions, le champ magnétique de l'électroaimant ayant une composante perpendiculaire à la direction primaire du faisceau d'ions. La trajectoire du faisceau d'ions est défléchie par ce 30 champ magnétique, l'intensité du champ magnétique étant variée en faisant varier le courant qui circule dans les bobines de l'électroaimant, ce qui permet au faisceau d'ions de balayer tout ou partie de la surface de l'échantillon Dans une autre version de la machine, le 35 système de balayage est muni de moyens électrostatiques, qui permettent aussi de défléchir la trajectoire du faisceau d'ions de manière à le faire interagir avec tout ou partie de la surface Ces moyens électrostatiques peuvent être constitués d'un ou plusieurs jeux d'électrodes 5 métalliques de forme quelconque, polarisées et se faisant face, au milieu desquelles circulent le faisceau Dans une autre version de la machine, le système de balayage est muni de moyens mécaniques, motorisés, qui permettent de faire défiler la surface sous le faisceau d'ions, de 10 manière à faire interagir le faisceau d'ions avec tout ou partie de la surface Ces moyens mécaniques peuvent comporter une table de translation motorisée, permettant de faire effectuer à l'échantillon deux mouvements dans des directions orthogonales en elles et à la direction du 15 faisceau d'ions D'autres versions de la machine sont envisagées, dans lesquelles les différents moyens, électrostatiques, magnétiques et mécaniques, sont combinés, permettant au faisceau d'ions d'interagir avec tout ou partie de la surface, ce qui constitue le premier objectif 20 de ce système Un autre objectif de ce système de balayage est de permettre à l'utilisateur de choisir l'uniformité du traitement de la surface de l'échantillon, en choisissant les modalités des différents modes de balayage, en particulier le pas de balayage Un autre objectif de ce 25 système de balayage est de permettre à l'utilisateur de choisir le nombre d'ions qui interagiront avec la surface, en réglant en particulier la vitesse des différents modes de balayage et le pas de balayage. le système de maintien mécanique d'échantillons 30 est remplacé par un système de maintien utilisant la force électrostatique, comme par exemple un système, connu de l'homme de l'art, dans lequel la face du système de maintien électrostatique, sur laquelle est posé l'échantillon, est polarisée, de manière à induire une 35 polarisation sur la face arrière de l'échantillon, ce qui a pour effet d'induire une force attractive entre la face du système de maintien électrostatique sur laquelle est posée l'échantillon et la face arrière de l'échantillon Un objectif de ce système est qu'il permet de ne pas recourir 5 à des moyens mécaniques dont certaines parties viendraient sur la surface de l'échantillon à traiter, tout en permettant d'orienter la surface de l'échantillon à traiter dans une direction quelconque. près du système de maintien d'échantillons et de 10 la surface de l'échantillon à traiter, sont ajoutés des moyens de mesure des courants de faisceau d'ions et des faisceaux d'électrons Lorsque le faisceau ou l'échantillon à traiter se trouvent dans une position particulière, ce dispositif intercepte le faisceau d'ions et/ou d'électrons. 15 Ces moyens peuvent comporter des dispositifs à collection de charge, tels des cages de faraday, connues de l'homme de l'art, couplées par exemple à un ou plusieurs ampèremètres. près du système de maintien d'échantillons et de la surface de l'échantillon à traiter, sont ajoutés des 20 moyens de mesure de l'uniformité des faisceaux d'ions et d'électrons Lorsque le faisceau ou l'échantillon à traiter se trouvent dans une position particulière, ces moyens interceptent le faisceau d'ions et/ou d'électrons Dans une version de la machine, ces moyens peuvent comporter des 25 dispositifs, tels des plaques d'un matériau quelconque, permettant l'émission de photons lorsqu'ils interceptent des ions ou des électrons, couplés à des systèmes d'acquisition d'image, permettant d'obtenir l'intensité des photons émis en différents points du faisceau d'ions et/ou 30 d'électrons Dans une autre version de la machine, ces moyens peuvent comporter des dispositifs à collection de charge, tels des réseaux de fils conducteurs qui collectent le courant, couplés à un ou plusieurs ampèremètres, de manière à permettre de mesurer en différents points l'intensité du faisceau d'ions et/ou du faisceau d'électrons. le système de maintien d'échantillon et l'échantillon lui-même sont isolés électriquement du reste 5 de la machine, afin de leur permettre d'être polarisés Un objectif est de faire varier l'énergie cinétique des ions et/ou des électrons lorsqu'ils interagissent avec la surface, cette énergie cinétique étant contrôlée principalement par la différence entre les potentiels de la 10 zone ou les ions sont créés, dans la source d'ions, et de la surface de l'échantillon à traiter. la machine comporte un système permettant d'injecter de manière contrôlée un ou plusieurs types de gaz à l'intérieur de l'enceinte dans laquelle est situé 15 l'échantillon à traiter Un objectif est de permettre à ce ou ces gaz de participer aux réactions chimiques pouvant avoir lieu sur la surface de l'échantillon à traiter Afin de contrôler les pressions partielles du ou des gaz injectés, ainsi que leur pureté, un analyseur de gaz 20 résiduel, connu de l'homme de l'art, peut être utilisé comme moyen de contrôle complémentaire de ce système d'injection. le système de production de faisceaux d'ions de la machine comporte des moyens de déflexion électrostatique 25 ou magnétique du faisceau d'ions, dans le but d'optimiser sa trajectoire. le système de production de faisceaux d'ions de la machine comporte des moyens rétractables de mesure du courant de faisceau d'ions, agissant eninterceptant le 30 faisceau d'ions et en collectant ses charges. les faisceaux d'ions et d'électrons sont pulsés en intensité, permettant aux ions et aux électrons d'atteindre alternativement la surface de l'échantillon à traiter, dans le but d'empêcher certains ions du faisceau d'être neutralisés directement par les électrons du système de neutralisation par capture électronique. des photons un faisceau de photons est dirigé vers la surface de l'échantillon à traiter, afin d'activer 5 le surface de l'échantillon à traiter dans le but de favoriser la réaction chimique ou physique provoquée par le traitement, la longueur d'onde de ces photons étant choisie en fonction de la réaction chimique ou physique voulue par l'utilisateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui suit, relative à des exemples de réalisation préférés, en référence aux figures annexées représentant respectivement: La figure 1 représente le schéma de principe de la machine selon une configuration en ligne droite. la figure 2, une variante améliorée de l'exemple de réalisation précédent dans laquelle l'ensemble de production de faisceau d'ions comporte un électroaimant qui 20 courbe la trajectoire du faisceau, la machine étant munie d'un système d'élimination qui courbe aussi la trajectoire du faisceau, donnant à la machine une configuration en U; la figure 3, une variante de l'exemple de réalisation précédent dans laquelle la machine a une 25 configuration en U et utilise des moyens de contrôle du procédé utilisant un système d'acquisition d'images et un système de comptage de photons; la figure 4, une variante de l'exemple de réalisation précédent dans laquelle la machine a une 30 configuration en S. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'un exemple de réalisation d'une machine selon l'invention. Elle comporte un système de productions d'ions 1, capable de produire des faisceaux d'ions multichargés 2 Le 35 faisceau d'ions circule à l'intérieur d'un système de décélération électrostatique 3, qui permet de réduire l'énergie cinétique des ions en utilisant le champ électrique créé par le système de décélération électrostatique Le faisceau pénètre ensuite dans 5 l'enceinte sous vide 4 o se réalise le procédé de traitement de l'échantillon 5 L'échantillon est monté sur un support mécanique 6 permettant de le maintenir Le faisceau d'ions 2 est balayé sur la surface de l'échantillon 5 à l'aide de moyens de balayage 7 Un 10 ensemble de moyens de pompage 8 permet de maintenir sous vide les différentes enceintes qui composent la machine. Ces exemples décrivent des variantes de machines destinées à l'étude et au développement de procédés de traitement de surfaces par ions lents multichargés. Le mode de réalisation préféré pour l'équipement de recherche correspond à la figure 2 illustrant une machine selon une configuration en U Dans cet exemple de réalisation de la machine, l'ensemble de production de faisceau d'ions comporte une source d'ions 9 de type ECR, 20 dans laquelle les ions multichargés sont créés Une telle source d'ions produit plusieurs milliampères d'ions de charge et de nature variée, selon les gaz injectés dans l'enceinte de la source Les états de charge peuvent aller, pour l'argon, jusqu'à la charge maximale, Ar 18 + Le corps 25 de la source d'ions est isolé électriquement du reste de la machine, et est porté à une tension qui peut être variée par l'utilisateur entre -100 V et + 100 V, afin d'annuler l'effet du potentiel du plasma de la source ECR. Un extracteur à trois électrodes 10 permet 30 d'extraire à haute vitesse les ions produits dans la source, et de focaliser le faisceau pour lui permettre de garder de bonnes caractéristiques optiques après sa décélération à la sortie de l'extracteur La première électrode est polarisée à -35 k V, la deuxième électrode à 35 25 k V, la troisième électrode à -35 k V. A la sortie de l'extracteur, le faisceau d'ions pénètre dans une enceinte à vide polarisée à -15 k V, dans laquelle sont placées 2 plaques mobiles 12 définissant une fente verticale par rapport au plan de la figure, 5 permettant de réduire la largeur du faisceau à 10 mm Une caméra CCD 13 permet d'obtenir un profil d'intensité du faisceau lorsque la fente est fermée, à partir des photons émis par les ions lorsqu'ils frappent les plaques 12. Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une 10 enceinte 14 polarisée à 15 k V, placée dans l'entrefer d'un électroaimant Le champ magnétique B perpendiculaire au plan du faisceau, produit par l'électroaimant courbe les trajectoires des ions du faisceau Le rayon de courbure R de la trajectoire d'un ion de charge q et de masse m, ayant 15 été accéléré par une différence de potentiel DU et soumis à un champ magnétique B est donné par la formule: R 2 = 2 *DU*m / (q*B 2) Selon le champ magnétique choisi par l'utilisateur, les ions, dont le rapport masse sur charge est différent, 20 auront une trajectoire dont le rayon de courbure est différent, ce qui permet de sélectionner l'ion avec lequel l'utilisateur de la machine souhaite réaliser le procédé. Dans le rayon de courbure de l'aimant est de 250 mm, et le champ magnétique de 0,135 Tesla permet de sélectionner les 25 ions Arll+ parmi les autres ions du faisceau. Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une enceinte à vide 15 polarisée à -15 k V dans laquelle des jeux de plaques 16 polarisées à des tensions variant entre -14 k V et -16 k V permettent de modifier sa trajectoire. 30 Dans cette enceinte, des jeux de plaques mobiles 12 définissent des fentes horizontales et verticales par rapport au plan de la figure, permettant de modifier la forme de l'enveloppe du faisceau Une cage de faraday mobile et rétractable 17 permet d'intercepter le faisceau 35 d'ions afin de mesurer son intensité en mesurant à l'aide d'un ampèremètre le courant de charges collectées Une caméra CCD 13 permet de mesurer les caractéristiques du faisceau lorsqu'il est intercepté par les plaques définissant les fentes. Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une enceinte à vide 18 polarisée à -15 k V dans laquelle est installé un déflecteur électrostatique 19, qui constitue une première partie du système d'élimination de particules parasites de la machine Ce déflecteur est composé de deux 10 électrodes se faisant face, dont la surface a la forme d'une partie de sphère et au milieu desquelles circule le faisceau La différence de potentiel entre les deux électrodes est de 4200 Volts, pour permettre aux ions Ar 1 + de sortir de cette enceinte Les ions ayant perdu une ou 15 plusieurs charges par collision avec les molécules du gaz résiduel sont moins défléchis et leur trajectoire n'a pas le même axe que celle des ions Ar"+. Le faisceau d'ions pénètre ensuite dans une enceinte à vide 20 polarisée à -15 k V dans laquelle des 20 jeux de plaques 12 définissent des fentes horizontales et verticales par rapport au plan de la figure, qui constituent la deuxième partie du système d'élimination de particules de la machine Ces plaques permettent d'intercepter les ions qui ont changé de charge par 25 collision avec le gaz résiduel des enceintes à vide, et dont la trajectoire à la sortie du déflecteur électrostatique 19 est différente de celle des ions Arll+. Cette enceinte à vide est munie d'une caméra CCD 13 qui permet de mesurer les caractéristiques du faisceau 30 lorsqu'il est intercepté par les plaques définissant les fentes. Le faisceau pénètre ensuite dans une enceinte à vide en deux parties ( 21, 22) dans laquelle sont placées les électrodes cylindriques 23 du système de décélération 35 électrostatique La première partie de la chambre à vide 21 est polarisée à -15 k V Elle est isolée par un isolateur 24 de la deuxième partie de l'enceinte à vide 22, qui est au potentiel de la masse électrique de la machine (OV) Le faisceau passe au milieu d'une première électrode 25 5 polarisée à -16 k V, qui empêche les électrons qui seraient produits par collision des ions du faisceau avec les objets présents dans les enceintes à vide de pénétrer dans le système décélérateur Ce réglage permet de se débarrasser de tous les électrons créés avec une énergie cinétique 10 initiale de 1 k V Les électrodes 23 suivantes sont polarisées à des tensions différentes, allant graduellement de -15 k V à -30 V pour la dernière électrode 26, la plus proche de l'échantillon à traiter 5. Le faisceau d'ions pénètre alors dans un espace 15 dans lequel la différence de potentiel avec la surface de l'échantillon à traiter n'excède pas 30 V Un canon à électrons 27 produit des électrons lents 28 qui se dirigent vers la zone d'impact du faisceau d'ions sur la surface de l'échantillon à traiter, l'énergie de ces électrons 20 n'excédant pas 30 e V lorsqu'ils entrent en collision avec la surface de l'échantillon Les ions ont une énergie cinétique de quelques e V/q, o q représente leur charge, lorsqu'ils frappent la surface de l'échantillon Cette énergie cinétique, exprimée dans cette unité, est égale à 25 la différence de potentiel entre l'endroit o les ions sont créés et la surface de l'échantillon, qui est au potentiel de la masse de la machine ( O V) dans cet exemple de réalisation. L'échantillon 5 est maintenu face au faisceau 30 d'ions par un système mécanique 29 sur une platine mobile et motorisée 30, qui permet aux faisceaux d'ions et d'électrons de balayer la surface de l'échantillon Le premier balayage est effectué dans le plan de la figure, perpendiculairement au faisceau d'ions à une vitesse de 35 déplacement de 113 mm/s La direction du second mouvement est dans le plan perpendiculaire à la figure et au faisceau d'ions C'est un mouvement pas à pas, le déplacement étant effectué à la fin de la course du premier balayage, chaque pas déplaçant l'échantillon de 0,5 mm L'intensité du 5 faisceau d'ions Arll+ interagissant avec la surface de l'échantillon est de 10 micro-ampères L'échantillon dans l'exemple est une plaquette de silicium, à la forme d'un disque de 100 mm de diamètre Une dose ionique de 10 A 13 ions/cm 2 est ainsi déposée sur toute la surface de l'échantillon avec une uniformité meilleure que 99 % et en 270 secondes. Un système d'injection de gaz 31 permet d'injecter de l'oxygène à l'intérieur de l'enceinte 22 pendant le traitement de la surface de l'échantillon, à une pression 15 de 10 A-7 Torr, afin que l'oxygène puisse réagir avec la surface de l'échantillon activée chimiquement par les ions. La figure 3 illustre une autre version de la machine dans laquelle l'électro-aimant 32 défléchit les ions à un angle différent de 90 Dans cette version de 20 machine, le système d'élimination 33 comporte des électrodes planes 34 pour défléchir le faisceau d'ions avec un angle supérieur à 900 Le système de balayage comporte des électro-aimants en bobines de Helmholtz 35 produisant un champ magnétique B alternatif Le système de 25 neutralisation est constitué d'un filament cylindrique 36 au milieu duquel circule le faisceau d'ions Une caméra CCD 37 permet d'observer les photons émis lors de l'interaction des ions avec la surface de l'échantillon, afin de mesurer l'uniformité du traitement, et son état d'avancement Un 30 système de comptage de photons 38 permet de mesurer l'intensité des photons émis dans la gamme de longueur d'onde qui n'est pas absorbée par le filtre optique 39. L'échantillon à traiter 5 est maintenu face au faisceau d'ions par l'action d'un système électrostatique de 35 maintien d'échantillon 40 Cet échantillon est refroidi au contact d'un serpentin 41 dans lequel circule un liquide réfrigérant Un système mécanique permet de transférer l'échantillon de sa position sur son support, à la position 42 puis 43, dans laquelle l'orientation de la surface de l'échantillon est différente. La figure 4 illustre une autre version de la machine, dans laquelle le système d'élimination 44 utilise le champ magnétique produit par un aimant Dans cette version, le balayage utilise le champ magnétique alternatif 10 produit par deux bobines de Helmholtz 45 pour déplacer le faisceau dans un plan perpendiculaire au plan de la figure et au faisceau d'ions, puis le champ électrique alternatif produit par deux plaques métalliques 46 polarisées pour balayer le faisceau rapidement et à de petites amplitudes 15 dans le plan de la figure et perpendiculairement au faisceau d'ions, puis une table mécanique 47 motorisée permettant de balayer la surface de l'échantillon sous le faisceau d'ions dans une direction parallèle au plan de la figure et perpendiculaire au faisceau d'ions Une plaque de 20 métal 48 située à proximité de l'échantillon 5 permet de mesurer l'uniformité du faisceau d'ions et du faisceau d'électrons, lorsqu'elle est mise en position de les intercepter, en utilisant une caméra CCD 49 Une résistance chauffante 50 située sous l'échantillon permet d'élever sa 25 température, selon les besoins du procédé L'échantillon est isolé électriquement du reste de la machine par deux isolateurs 51, et est polarisé par le moyen d'un générateur de tension 52 Le système de neutralisation utilise, dans cette version de la machine, deux canons à électrons 27, 30 produisant des électrons de basse énergie cinétique 28 en direction de la surface de l'échantillon à traiter Un système 53 utilisant un ampèremètre permet de mesurer le courant des faisceaux d'ions et d'électrons incidents sur l'échantillon à traiter Un système 54 de production de photons permet de projeter des photons de longueur d'onde donnée sur la surface de l'échantillon à traiter. La machine selon l'invention permet d'utiliser les ions multichargés ultra lents, de seulement quelques 5 électrons-volts par charge, pour modifier la surface de matériaux à l'échelle atomique, en particulier, mais non exclusivement, la surface de matériaux semiconducteurs Les procédés permis par la machine visée par l'invention sont la gravure de matériaux, le nettoyage de surfaces, la 10 fabrication de nanostructures, la production de modifications physiques ou chimiques, nanométriques, des surfaces, la modification chimique de surfaces à l'échelle atomique, et la fabrication de couches ultra-minces. REVENDICATIONS 1 Machine de traitement uniforme de surfaces d'échantillons par projection d'ions multichargés de très 5 basse énergie cinétique, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de production de faisceau d'ions isolable électriquement du reste de la machine et polarisable, des moyens de décélération électrostatique permettant la décélération des ions à l'approche de la surface de l'échantillon à traiter, des moyens de balayage permettant à la surface de l'échantillon à traiter d'être balayée par le faisceau 15 d'ions pour obtenir l'uniformité de traitement voulue, des moyens de maintien mécanique d'échantillons permettant de présenter la surface des échantillons à traiter face au faisceau d'ions pendant le traitement; des moyens de production de vide montés sur des 20 enceintes à vide à l'intérieur desquelles se situe l'échantillon à traiter et circule le faisceau d'ions. 2 Machine de traitement uniforme de surfaces selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des 25 moyens de neutralisation des charges positives apportées sur la surface par les ions. 3 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'élimination hors du faisceau d'ions des ions ayant changé de charge lors de leur transport vers la surface de l'échantillon à traiter. 4 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de contrôle du procédé, utilisant un système d'acquisition d'images, et 5 permettant de mesurer la distribution spatiale d'intensité des photons émis depuis la zone d'interaction du faisceau d'ions avec la surface à traiter. Machine de traitement uniforme de surfaces selon 10 l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de contrôle du procédé, utilisant un filtre optique couplé à un compteur de photons pour mesurer l'évolution du flux de photons émis depuis la surface de l'échantillon pendant le 15 traitement, dans une gamme de longueurs d'ondes données ou à une longueur d'onde donnée. 6 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisée en ce qu'il est prévu d'ajouter au système de maintien mécanique d'échantillons, un système de modulation thermique permettant d'ajuster la température de l'échantillon à traiter. 7 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un système mécanique permettant de changer l'orientation de la surface de l'échantillon à traiter afin de rendre la machine 30 compatible avec un mode de transfert d'échantillons qui utilise une orientation différente. 8 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, 35 caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de contrôle composé de modules électroniques et de logiciels, permettant en particulier de régler les paramètres de la machine et d'effectuer le traitement de la surface de l'échantillon en utilisant uniquement les paramètres du procédé que l'utilisateur souhaite voir réalisé. 9 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble de production de 10 faisceaux d'ions comporte une source d'ions à Résonance Cyclotronique lectronique isolable électriquement du reste de la machine et polarisable. Machine de traitement uniforme de surfaces 15 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble de production de faisceau d'ions comporte un extracteur électrostatique multiélectrodes, connecté via un isolateur à la source d'ions, pour optimiser la qualité et l'intensité du faisceau 20 d'ions, isolable électriquement du reste de la machine et polarisable. 11 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisée en ce que l'ensemble de production de faisceau d'ions comporte un système permettant de trier les ions du faisceau en fonction du rapport de leur masse par leur charge, composé d'une enceinte à vide isolable électriquement du reste de la machine, polarisable et munie 30 de moyens magnétiques. 12 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble de production de faisceau 35 d'ions comporte des enceintes à vide munies de jeux de fentes, ces derniers étant composés de plaques métalliques, permettant de réduire les dimensions transverses du faisceau d'ions, les enceintes et les jeux de fentes étant isolables électriquement du reste de la machine, et polarisables. 13 Machine de traitement uniforme de surfaces selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'ensemble de production de faisceau d'ions comporte des 10 moyens d'acquisition d'images, permettant d'observer les photons émis lorsque les ions du faisceau frappent les plaques dont sont constitués les jeux de fentes. 14 Machine de traitement uniforme de surfaces 15 selon l'une quelconque des revendications 3 à 13, caractérisée en ce que le système d'élimination comporte des électrodes du type plan, hémisphérique ou hémicylindrique, polarisables, entre lesquelles circule le faisceau. Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications 3 à 14, caractérisée en ce que le système d'élimination est muni de moyens magnétiques produisant un champ magnétique à 25 l'intérieur de la chambre à vide dans laquelle circule le faisceau d'ions. 16 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisée en ce que le système de décélération est composé d'une ou plusieurs électrodes polarisables à symétrie cylindrique, à l'intérieur desquelles circule le faisceau d'ions. 17 Machine de traitement uniforme de surfaces selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la position et la forme des électrodes du système de décélération ménagent un espace pour le système de neutralisation. 18 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de décélération comporte 10 une électrode polarisée de manière à repousser les électrons secondaires produits en aval du système de décélération. 19 Machine de traitement uniforme de surfaces 15 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de balayage comporte des moyens électromagnétiques. Machine de traitement uniforme de surfaces 20 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de balayage comporte des moyens électrostatiques. 21 Machine de traitement uniforme de surfaces 25 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de balayage comporte des moyens mécaniques motorisés. 22 Machine de traitement uniforme de surfaces 30 selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que le système de balayage est mécanique et motorisé, permettant de faire défiler face au faisceau d'ions la surface de l'échantillon à traiter, dans deux directions perpendiculairement au faisceau d'ions. 35 23 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications 2 à 22, caractérisée en ce que le système de neutralisation utilise une ou plusieurs sources d'électrons disposées autour de l'échantillon à traiter et devant sa surface. 24 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications 2 à 22, caractérisée en ce que le système de neutralisation utilise 10 une source d'électrons à symétrie cylindrique, disposée devant la surface de l'échantillon à traiter, à l'intérieur de laquelle circule le faisceau d'ions. Machine de traitement uniforme de surfaces 15 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de maintien mécanique d'échantillons est remplacé par un système de maintien utilisant la force électrostatique. 26 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications 6 à 25, caractérisée en ce que le système de modulation thermique comporte une résistance chauffante permettant d'élever la température de l'échantillon. 27 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications 6 à 26, caractérisée en ce que le système de modulation thermique comporte un serpentin dans lequel circule un fluide 30 permettant d'abaisser la température de l'échantillon. 28 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que sont ajoutés, près du système de maintien d'échantillons, des moyens de mesure du courant des faisceaux d'ions et d'électrons. 29 Machine de traitement uniforme de surfaces 5 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que sont ajoutés, près du système de maintien d'échantillons, un système composé d'une plaque d'un matériau quelconque à partir de laquelle des photons peuvent être émis lorsque des ions et des électrons la 10 frappent, afin de permettre de mesurer l'uniformité des faisceaux d'ions et d'électrons en utilisant un système d'acquisition d'images. Machine de traitement uniforme de surfaces 15 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de maintien d'échantillons et l'échantillon sont isolables électriquement du reste de la machine, et polarisables. 31 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que son orientation est telle que la surface de l'échantillon à traiter soit orientée vers le bas, afin d'éviter que des poussières ne se déposent par 25 gravité, et afin de la rendre compatible avec un mode de transfert d'échantillons qui utilise cette orientation. 32 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisée en ce que l'orientation des sous-ensembles qui la constituent est telle que la surface de l'échantillon à traiter est orientée vers le haut, afin de la rendre compatible avec un mode de transfert d'échantillons particulier qui utilise cette orientation. 35 33 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'injection contrôlée de gaz dans l'enceinte à vide dans laquelle est situé l'échantillon à traiter. 34 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de production de 10 faisceaux d'ions comporte des moyens de déflexion électrostatique ou magnétique du faisceau d'ions, dans le but d'optimiser sa trajectoire. Machine de traitement uniforme de surfaces 15 selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de production de faisceaux d'ions comporte des moyens rétractables de mesure du courant de faisceau d'ions. 36 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications 23 à 35, caractérisée en ce que le faisceau d'électrons et le faisceau d'ions sont pulsés, les ions et les électrons arrivant alternativement sur la surface. 25 37 Machine de traitement uniforme de surfaces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un faisceau de photons est dirigé vers la surface de l'échantillon à traiter.