Brevet FR2853140A1 — publié le 20041001

Substrat multicouches implanté à faible dose La présente invention concerne un substrat pourvu d'un empilement de couches déposées. Cette invention a donc trait à la technologie des couches minces et elle 5 trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de l'optique. En effet, dans ce domaine, de nombreux dispositifs sont réalisés à partir de substrats multicouches, c'est à dire de substrats sur lesquels est empilée une pluralité de couches minces. Un exemple typique de ces dispositifs est le miroir interférentiel. Un tel 10 miroir est composé d'un empilement de couches pouvant prendre différentes formes. Les ondes réfléchies par chaque couche produisent une interférence constructive gouvernée par la loi de Bragg, ce qui justifie de prévoir un certain nombre de couches. Cette interférence n'a lieu que lorsque l'épaisseur des couches compte tenu de leurs indices de réfraction sont du même ordre de 1 5 grandeur que la longueur d'onde qu'il s'agit de réfléchir. Ainsi, pour le rayonnement X de grande énergie dont la longueur d'onde est comprise entre 0,1 et 1 nanomètre, on peut utiliser un substrat monocristallin, les couches réflectives étant ici constituées par les plans cristallins parallèles au substrat. Par contre, lorsque la longueur d'onde augmente, il n'existe pas de monocristal 2 0 satisfaisant. Pour traiter le domaine spectral couvrant le rayonnement X basse énergie et le rayonnement UV extrême, soit approximativement entre 1 et 30 manomètres, il est ainsi connu de réaliser un empilement de couches minces déposées sous vide. Les couches sont alternativement composées d'un 25 matériau lourd, plutôt absorbant, tel que le molybdène ou le tungstène, et d'un matériau léger, plutôt transparent, tel que le silicium ou le carbone. Plus l'écart des indices de réfraction des deux matériaux est élevé, ou autrement dit, plus le choc d'indice à l'interface de deux couches successives est important, meilleur est la réflexion résultante. Naturellement, la qualité du miroir dépend étroitement de la précision que l'on peut obtenir sur les différents paramètres caractérisant les couches déposées, et en premier lieu sur l'épaisseur de ces couches. Or les méthodes de production actuellement disponibles ne permettent pas de garantir une précision suffisante sur cette caractéristique dimensionnelle lorsque la spécification 3 5 optique du miroir est très contraignante. La présente invention a notamment pour objet d'ajuster l'épaisseur des couches déposées. Selon l'invention, un substrat est pourvu d'un empilement de couches déposées et, l'une au moins de ces couches présente dans une zone de réglage 5 une concentration de défauts ponctuels créés comprise entre 3. 1020/cm3 et 3.1023/cm3 En effet, il est possible de créer des défauts ponctuels en réalisant une implantation ionique sur cet empilement, ce qui permet de diminuer l'épaisseur de la ou des couches concernées au niveau de la zone de réglage. Suivant un mode de réalisation adapté à l'optique, l'empilement comporte une superposition de couples chacun formé d'une couche impaire et d'une couche paire se distinguant par leurs compositions. Souvent, une couche impaire et une couche paire se distinguent de plus par leurs épaisseurs. A tire d'exemple, la composition d'une couche impaire appartient au groupe comprenant le molybdène et le tungstène. De même, la composition d'une couche paire appartient au groupe comprenant le silicium et le carbone. De préférence, l'épaisseur des couches impaires et des couches paires 2 0 est inférieure à 30 nanomètres. Selon une caractéristique additionnelle, la zone de réglage s'étend sur la totalité des couples de couches. Pour certaines applications, la zone de réglage présente une concentration variable de défauts ponctuels créés. Si cela s'avère nécessaire, la zone de réglage recouvre la totalité de la surface du substrat. L'invention vise également un procédé de préparation d'un substrat pourvu d'un empilement de couches déposées, ce procédé comprenant une étape d'implantation ionique dans une zone de réglage de l'une au moins de ces 30 couches, la dose d'implantation étant comprise entre 5.1012/cm2 et 5. 1015/cm2 équivalent oxygène, de sorte que la concentration de défauts ponctuels créés soit comprise entre 3.1020/cm3 et 3.1023/cm3. Le procédé comprend éventuellement des étapes additionnelles pour obtenir les caractéristiques du substrat mentionnées ci-dessus. Avantageusement, il comprend, suite à l'étape d'implantation, une étape de recuit du substrat. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant à l'unique figure annexée qui représente un substrat. En référence à cette figure, une première couche réflective 11 est déposée sur un substrat qui est ici en silicium. Une deuxième couche 12 est ensuite déposée sur la première 11, ces deux couches formant un premier couple. Un deuxième couple est alors déposé qui est composé d'une troisième 10 21 et d'une quatrième 22 couche. On dépose ainsi successivement une pluralité de couples, 7 par exemple, le dernier étant formé d'une treizième 71 et d'une quatorzième 72 couches. Les couches de rangs impairs sont de préférence identiques quant à leurs compositions et à leurs épaisseurs. Le matériau de ces couches est 15 avantageusement absorbant dans le domaine spectral considéré, soit de 1 à 20 nanomètres. On citera à titre d'exemple le molybdène et le tungstène. Les couches de rangs pairs sont de préférence identiques quant à leurs compositions et à leurs épaisseurs. Le matériau de ces couches est avantageusement transparent dans ce même domaine spectral. On citera à titre 2o d'exemple le silicium et le carbone. Eventuellement on peut prévoir une couche tampon ou même plusieurs couches qui sont déposées directement sur le substrat 1 avant la première couche réflective 11. Le substrat ainsi pourvu d'un empilement de couches déposées est alors 25 soumis localement ou globalement à une étape d'implantation ionique. L'implantation ionique est une technique couramment utilisée pour le dopage de matériaux semi-conducteurs. Selon cette technique, des atomes sont ionisés puis ils sont accélérés au moyen d'un champ électrique pour leur fournir une énergie bien définie et les projeter sur le substrat qui devient une cible. Les ions 3 o ainsi produits sont freinés par transfert d'énergie aux électrons et/ou aux noyaux des atomes de la cible. Suivant le rapport entre la masse de l'ion implanté et la masse atomique de la cible, on passe du transfert d'énergie électronique au transfert d'énergie atomique à des énergies plus ou moins élevées. L'implantation peut entraîner une détérioration de l'empilement des couches déposées 11, 12, ... ,72, ce d'autant plus que les ions implantés sont lourds et de basse énergie. L'implantation d'oxygène à haute dose, supérieure à 5.1015/cm2, et à 5 moyenne ou haute énergie tend à endommager l'empilement, réduisant considérablement par là même toute possibilité de réflexion. L'implantation à haute dose et à basse énergie conduit à une pulvérisation de la cible, c'est à dire à une ablation des couches déposées. L'invention prévoit par conséquent une implantation à faible dose dans 10 une plage s'étendant sensiblement, pour l'oxygène, de 5.1012/cm2 à 5.10 15/cm2 Ces paramètres d'implantation permettent de minimiser la perte de réflectivité de l'empilement, tout en produisant une réduction d'épaisseur de la zone implantée de l'ordre de 12%. Ainsi, pour une dose de 1015/cm2 d'ions oxygène d'énergie égale à 180 15 keV, une couche impaire de molybdène passe de 2,76 à 2,60 nanomètres et une couche paire de silicium passe de 4,06 à 3,35 nanomètres. La profondeur de pénétration des ions implantés que l'on peut estimer à 500 nanomètres environ garantit un traitement sensiblement identique des différents couples de couches déposées. La réduction d'épaisseur des différentes couches qui dépend bien de la dose d'implantation est étroitement liée au nombre de défauts ponctuels créés. Par défaut ponctuel, on entend un dérangement de l'ordre atomique, une lacune par exemple, créé par le choc des ions incidents avec les atomes de la cible. La concentration de défauts ponctuels créés est proportionnelle à la 25 dose implantée pour un ion incident donné, mais le facteur de proportionnalité dépend très fortement de la masse de cet ion et de la masse des atomes de la cible. Ainsi, pour une concentration donnée de défauts ponctuels créés, la dose d'implantation sera fonction de la nature de l'ion incident. Un but de 30 l'invention étant de limiter le nombre de ces défauts, il est donc préférable de caractériser l'implantation par la concentration de défauts ponctuels plutôt que par la dose. On donne dans le tableau qui suit les doses nécessaires pour obtenir une concentration de défauts ponctuels créés de 3.1023 défaut/cm3 dans le cas d'un empilement molybdène-silicium implanté avec des ions O à une dose de 5.1015/cm2 Ion incident Energie (keV) Dose (ion/cm2) Facteur de défaut (défaut/cm.ion) O 180 5.10'5 6.107 Ar 320 1,25.1015 2,4.108 N 160 6.1015 5.107 He 60 3,75.1016 8.106 H 30 3.1017 1.106 Pour établir l'équivalence entre un ion de référence, I'oxygène dans le cas présent, et tous les ions possibles, on utilise le code de calcul " SRIM ". A 5 ce sujet, on peut se référer au livre " Ion Implantation, Science and Technology " édité par J. F. Ziegler (2000 Ion Implantation Technology Co.), Chapitre 3 " Ion Implantation Physics ", pages 175 à 238. Par ailleurs, on peut consulter ce code de calcul, notamment la version 2000-39, sur le site Internet " www.srim.org/srim/srimlegl.htm ", en téléchargeant le programme " srim.exe " 10 (protégé par le droit d'auteur 1984-2002, James F. Ziegler): " The Shopping and Range of Ions in Matter " (J. F. Ziegler, IBM Research, Yorktown, NY, 10598 USA and J. P. Biersack, Hahn-Meitner Inst., 1 Berlin 39, Germany). Il s'avère qu'une concentration de défauts ponctuels créés supérieure à 15 3.1023 défaut/cm3 dégrade fortement les propriétés optiques de l'empilement. La dose d'implantation sera donc déterminée pour éviter de dépasser cette valeur. Il convient toutefois de créer un minimum de défauts ponctuels car sinon l'implantation serait sans objet. La concentration de défauts ainsi créés sera donc supérieure à 3.102 défaut/cm3. 2 o Par ailleurs, deux méthodes permettent de mettre en évidence l'implantation à faible dose. La première méthode, I'analyse en réflexion spéculaire, fournit des informations sur les rugosités interfaciales. La deuxième méthode, les mesures transverses (" Rocking Curve " en anglais), analyse la lumière diffusée autour des différents pics de Bragg de l'empilement des 25 couches. L'implantation peut être pratiquée globalement, sur toute la surface du substrat. Elle peut être pratiquée localement, dans une zone de réglage, soit en utilisant une technique de photolithographie, soit en employant un faisceau d'ions dirigés. De préférence, suite à l'implantation, le substrat est soumis à un recuit pour réduire les pertes optiques. A titre d'exemple, la température est comprise entre 100 et 2000C, l'atmosphère est contrôlée ou bien il s'agit de l'air libre, tandis que la durée est de l'ordre de quelques dizaines d'heures. L'invention permet ainsi de réaliser les opérations suivantes: - calage en fréquence d'un empilement de couches par implantation globale, pour les miroirs ou les masques; - implantation localisée pour corriger les défauts d'uniformité de l'empilement; - réparation localisée des défauts de la structure substrat-empilement; - réalisation d'un gradient de réflexion pour obtenir une palette de longueurs d'onde exploitables, ceci en faisant varier l'un des paramètres d'implantation; - fabrication et réparation de masques ou réticules par implantation localisée des zones réfléchissantes. Hormis ces exemples de mise en oeuvre, l'invention s'applique dès qu'il 15 s'agit de modifier l'épaisseur d'une couche quelconque. Par ailleurs, pour protéger le substrat, une couche de recouvrement peut être déposée sur les couches implantées. L'exemple de réalisation de l'invention présenté ci-dessus a été choisi pour son caractère explicite. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de 20 manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, toute étape ou tout moyen décrit peut-être remplacé par une étape ou un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Substrat 1 pourvu d'un empilement de couches déposées 11, 12, 21, 22, 71, 72 caractérisé en ce que, l'une au moins de ces couches présente dans une zone de réglage une 5 concentration de défauts ponctuels créés comprise entre 3.10 2/cm3 et 3.10 23/cm3. 2) Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit empilement comporte une superposition de couples chacun formé d'une couche impaire 11, 21, 71 et d'une couche paire 12, 22, 72 se distinguant par leurs compositions. 3) Substrat selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une couche impaire 11, 21, 71 et une couche paire 12, 22, 72 se distinguent de plus par leurs épaisseurs. 4) Substrat selon la revendication 3, caractérisé en ce que la composition d'une couche impaire 11, 21, 71 appartient au groupe comprenant le molybdène 15 et le tungstène. 5) Substrat selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la composition d'une couche paire 12, 22, 72 appartient au groupe comprenant le silicium et le carbone. 6) Substrat selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en 20 ce que l'épaisseur desdites couches impaires 11, 21, 71 et paires 12, 22, 72 est inférieure à 30 nanomètres. 7) Substrat selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite zone de réglage s'étend sur la totalité desdits couples de couches. 8) Substrat selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en 25 ce que ladite zone de réglage présente une concentration variable de défauts ponctuels créés. 9) Substrat selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que ladite zone de réglage recouvre la totalité de sa surface. 10) Procédé de préparation d'un substrat 1 pourvu d'un empilement de 30 couches déposées 11, 12, 21, 22, ... ,71, 72 caractérisé en ce que, il comprend une étape d'implantation ionique dans une zone de réglage de l'une au moins de ces couches, la dose d'implantation étant comprise entre 5.10 12/cm2 et 5.1015 /cm2 équivalent oxygène de sorte que la concentration de défauts ponctuels créés soit comprise entre 3.10 2/cm3 et 3.1023 /cm3. 11) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit empilement comporte une superposition de couples chacun formé d'une couche impaire 11, 21, 71 et d'une couche paire 12, 22, 72 se distinguant par leurs compositions. 12) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'une couche impaire 11, 21, 71 et une couche paire 12, 22, 72 se distinguent de plus par leurs épaisseurs. 13) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la composition d'une couche impaire 11, 21, 71 appartient au groupe comprenant le molybdène 10 et le tungstène. 14) Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que la composition d'une couche paire 12, 22, 72 appartient au groupe comprenant le silicium et le carbone. 15) Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé 15 en ce que l'épaisseur desdites couches impaires 11, 21, 71 et paires 12, 22, 72 est inférieure à 30 nanomètres. 16) Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que ladite zone de réglage s'étend sur la totalité desdits couples de couches. 17) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 16, caractérisé en ce que ladite zone de réglage présente une concentration variable d'ions implantés. 18) Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, caractérisé en ce que ladite zone de réglage recouvre la totalité de la surface du substrat. 19) Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 18 caractérisé en ce que, suite à ladite étape d'implantation, il comprend une étape de recuit du substrat.