Brevet FR2936092A1 — publié le 20100319

Dispositif de génération d'un faisceau d'ions avec piège cryogénique La présente invention concerne un dispositif de génération d'un faisceau d'ions comportant une source d'ions. Un tel dispositif de génération d'un faisceau d'ions est connu du document WO 02/078036 A2. Comme il est connu par l'homme du métier, un dispositif de génération d'un faisceau d'ions comporte une source d'ions située à l'intérieur d'un dispositif d'optique électrostatique et d'une chambre de travail. On a constaté que l'utilisation du dispositif décrit dans le document WO 02/078036 A2 en combinaison avec des techniques d'injection de gaz réactifs ou précurseurs introduits au niveau de la chambre de travail réduit notablement la durée de vie de la source d'ions ainsi que la stabilité du processus émissif par réaction des traces résiduelles de gaz injectés avec le film de métal de la source d'ions maintenu en phase liquide. Cela est particulièrement sensible lorsque cette réaction s'opère au voisinage de la partie terminale de la source constituée d'une pointe et se manifeste généralement par des interruptions dans l'émission du faisceau d'ions et déplacement latéral du site émissif. En effet même une très faible proportion des molécules de gaz injectées dans la chambre de travail qui diffusent au voisinage de la source d'ions ont une très forte probabilité d'être ionisées puis ensuite d'être happées par la zone de très fort champ électrostatique régnant à l'apex de la pointe (1010 V/m). Le dépôt de ces molécules va modifier localement les propriétés physico-chimiques du film de métal liquide ou de la pointe support et donc perturber les propriétés d'émission initialement choisies. Ce dépôt de molécules peut constituer une source de pollution / contamination pour : (i) Le film de métal liquide par formation d'une barrière d'oxyde réfractaire interrompant la fonction d'apport du métal liquide basé sur un mécanisme de diffusion de surface ; (ii) La géométrie de la pointe support par croissance de structures parasites latérales capables d'activer un site émissif au détriment du site originel. Un but de l'invention est donc de rendre un dispositif de génération d'un faisceau d'ions compatible avec les techniques d'injection de gaz. Ce but est atteint par un dispositif de génération d'un faisceau d'ions du type précité, caractérisé en ce que la source d'ions est entourée d'un piège cryogénique maintenu à basse température, ce piège cryogénique étant apte à piéger des espèces chimiques volatiles par condensation avant qu'elles ne puissent atteindre la source d'ions. En entourant la source d'ions d'un piége cryogénique on la protège de façon efficace contre l'effet des gaz injectés au niveau de l'échantillon. Les gaz sont ainsi neutralisés par le piège cryogénique et n'agissent plus sur la source d'ions. Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif de génération d'un faisceau d'ions comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le piège cryogénique est maintenu à basse température par circulation ou accumulation d'un fluide cryogénique, le fluide cryogénique étant de préférence de l'azote liquide ; - le piège cryogénique est maintenu à une température inférieure à 100 K ; - le piège cryogénique comprend une gaine à deux extrémités ouvertes entourant la source d'ions ; - le piège cryogénique comprend un tube spiralé à fluide cryogénique enroulé autour de la gaine ; - l'une des extrémités ouvertes de la gaine sert au passage du faisceau d'ions produit par la source d'ions ; - la gaine est formée par une paroi de révolution, cette paroi comprenant une première section de forme cylindrique et une deuxième section de forme tronconique ; - une électrode d'extraction, le piège cryogénique entourant à la fois la source d'ions et l'électrode d'extraction ; - l'électrode d'extraction étant munie d'une ouverture permettant le passage du faisceau d'ions, le dispositif comprend en outre un moyen de génération d'un champ magnétique apte à générer un champ magnétique au niveau de l'ouverture de l'électrode d'extraction, le champ magnétique généré étant apte à dévier des particules chargées attirées par la source d'ions de manière à ce que ces particules chargées n'atteignent pas la source d'ions ; - le champ magnétique généré est apte à dévier les particules chargées de telle manière qu'elles rencontrent une paroi de l'électrode d'extraction au lieu d'atteindre, en traversant l'ouverture de l'électrode d'extraction, la source d'ions ; - le moyen de génération d'un champ magnétique est agencé au niveau de l'ouverture de l'électrode d'extraction ; - l'ouverture de l'électrode d'extraction est réalisée dans un renfoncement de l'électrode d'extraction, le moyen de génération d'un champ magnétique étant placé à l'intérieur de ce renfoncement, en bordure de ladite ouverture ; - le moyen de génération d'un champ magnétique comprend au moins un aimant permanent ; - le moyen de génération d'un champ magnétique est composé de deux aimants permanents placés en vis-à-vis ; - les deux aimants permanents définissent entre eux un entrefer de préférence ajustable d'environ 2 à environ 4 mm ; - le champ magnétique induit par les deux aimants permanents dans l'entrefer est de l'ordre de 0,1 à 1 Tesla. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une vue de côté, partiellement en coupe, d'un dispositif de génération d'un faisceau d'ions selon un mode de réalisation de l'invention ; La figure 2 est une vue en coupe d'un détail de la figure 1, selon les flèches Il-II ; et La figure 3 est une vue frontale de l'ouverture d'émission du dispositif de la figure 1, selon la flèche III. La figure 1 illustre un dispositif de génération d'un faisceau d'ions, ce dispositif étant désigné par la référence 2. Ce dispositif 2 se situe à l'intérieur d'une chambre de travail 9 qui est maintenue sous vide. Le dispositif 2 comprend une source d'ions 18 qui est entourée d'une électrode d'extraction 12. La source d'ions 18 ainsi que l'électrode d'extraction 12 sont fixées sur un support 6. On voit également une embase 3 sur laquelle est montée le support 6. La source d'ions 18 comprend une tige conductrice 24 terminée par une pointe 11 ainsi qu'un filament conducteur 5 comportant des enroulements. Ces enroulements sont traversés par la pointe 11 de la tige 24. On dénommera � extrémité inférieure � l'extrémité 8 de la source d'ions 18 située à proximité du support 6. L'extrémité 10 de la source d'ions 18 à l'opposé de l'extrémité inférieure 8 sera dénommée � extrémité supérieure �. Cette extrémité supérieure 10 comprend la pointe 11 de la tige 24. L'électrode d'extraction 12 est pourvue d'une ouverture 16, appelée � diaphragme d'extraction �, et d'orifices tels que l'orifice 7, à travers lesquelles peuvent être pompés des gaz résiduels. L'ouverture 16 et lesdits trous sont réalisés dans une paroi 14 de l'électrode d'extraction 12. L'ouverture 16 se situe au milieu d'un renfoncement cylindrique 26 de l'électrode d'extraction 12. En fonctionnement, la source d'ions 18 émet des ions qui sont attirés par l'électrode d'extraction 12 afin de traverser l'ouverture 16. Les ions quittent le dispositif 2 sous forme de faisceau 4. Le faisceau d'ions 4 est alors, par des moyens non représentés, orienté et focalisé sur un substrat situé à l'intérieur de la chambre de travail 9 pour servir au traitement de ce substrat. Les caractéristiques du dispositif 2 qui viennent d'être décrites sont connues, et, pour plus de détails, il est fait référence au document WO 02/078036 A2. Par la suite, on s'intéressera aux nouveaux éléments objet de la présente invention. Le dispositif 2 a la particularité de comprendre un piège cryogénique 28. Ce piège 28 comprend une gaine 32 entourant la source d'ions 18, ainsi que l'électrode d'extraction 12. La gaine 32 présente une section S1 de forme cylindrique et une section S2 de forme tronconique. La paroi de révolution 40 de la gaine 32 forme écran autour de la source d'ions 18. La gaine 32 dispose de deux extrémités ouvertes 34 et 36. L'extrémité ouverte 34 permet l'insertion de la source d'ions 18 et de l'électrode d'extraction 12 à l'intérieur de la gaine 32. L'extrémité ouverte 36 permet le passage du faisceau d'ions 4 généré par la source d'ions 18. Le piège cryogénique 28 comprend en outre un tube spiralé 38 enroulé autour de la gaine 32. Ce tube 38 permet la circulation ou l'accumulation d'un fluide cryogénique 30, de préférence de l'azote liquide. Le piège cryogénique 28 a été rajouté au dispositif 2 afin de le rendre compatible avec les techniques d'injection de gaz fréquemment utilisées dans des applications industrielles de dispositifs de génération d'ions. Ces techniques d'injection consistent à introduire des gaz réactifs ou précurseurs dans la chambre de travail 9 afin de diversifier ou d'améliorer et d'accélérer le traitement des substrats par le faisceau d'ions 4. Une première de ces techniques est déployée lorsque le faisceau d'ions 4 est utilisé pour graver le substrat. On introduit des gaz réactifs dans la chambre de travail 9 qui réagissent avec les atomes du substrat pulvérisés par le faisceau 4 en formant des composés volatils. Ce procédé améliore la vitesse de gravure car il neutralise et évacue les déblais issus de la gravure. La technique d'injection s'utilise aussi pour déposer des substances sur le substrat. A cet effet, on introduit des gaz précurseurs dans la chambre de travail 9 dont les molécules sont dissociées par l'action du faisceau d'ions 4. Les composés non volatils de cette réaction forment alors un dépôt solide adhérant à la surface du substrat. Dans le contexte d'un dispositif de génération de faisceau d'ions, ces techniques d'injection présentent un inconvénient majeur. En effet, les gaz injectés dans la chambre de travail 9 ont des effets extrêmement néfastes sur la source d'ions 18. A cause d'un gradient de pression favorable, ces gaz s'acheminent vers la source 18 et la déstabilisent. Ainsi, Il devient impossible de maintenir la stabilité de l'émission d'ions sur des périodes de plusieurs heures. Le piège cryogénique 28 permet de résoudre ce problème en protégeant la source d'ions 18 des vapeurs de gaz injecté. Il devient alors possible d'appliquer les techniques d'injection de gaz au dispositif 2 de génération de faisceau d'ions. Le piège cryogénique 28 fonctionne de la manière suivante. On fait circuler de l'azote liquide 30 à l'intérieur du tube 38 afin de refroidir la paroi 40 de la gaine 32 à une température en dessous de 100 K. La gaine 32 ainsi refroidie constitue un piège pour les vapeurs de gaz injecté G, qui sont représentées à la figure 1 par des flèches ondulées. Ces espèces volatiles G sont arrêtées sur leur trajet vers la source d'ions 18 par la paroi 40 qui forme barrage. Une fois arrêtées par la paroi 40, les espèces G se refroidissent rapidement et perdent donc une grande partie de leur énergie cinétique. Les espèces G se condensent sur la paroi 40 et se trouvent réellement � piégées �. Par manque d'énergie, elles restent � collées � au piège cryogénique 28 et ne peuvent donc plus atteindre la source d'ions 18. Une deuxième nouveauté du dispositif 2 est l'ajout d'un filtre magnétique M1, M2. Ce filtre magnétique comprend deux aimants permanents M1 et M2 qui sont disposés en vis-à-vis à l'intérieur du renfoncement 26 de l'électrode d'extraction 12. En référence à la figure 3, ces deux aimants M1 et M2 définissent entre eux un entrefer D. Cet entrefer D est de préférence ajustable entre environ 2 et 4 mm. Les deux aimants M1 et M2 induisent dans l'entrefer D un champ magnétique B, dont la valeur est de préférence de l'ordre de 0,1 à 1 Tesla. Le champ magnétique B est représenté aux figures 1 à 3 par des lignes de champ fléchées. La figure 2 est une vue en coupe de la pointe de l'électrode d'extraction 12, selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 2 représente donc une vue perpendiculaire à celle représentée par la figure 1. A la figure 2, on distingue le champ magnétique B dont les lignes de champ sont perpendiculaires au plan du dessin. On distingue aussi la pointe 11 de la tige conductrice 24 qui émet le faisceau d'ions 4. Les aimants M1 et M2 ne sont pas visibles à la figure 2 puisqu'ils se situent respectivement à l'arrière et à l'avant du plan du dessin. Le filtre magnétique M1, M2 a été rajouté au dispositif 2 afin d'empêcher les électrons secondaires 20 (cf. les figures 1 et 2) d'atteindre la source d'ions 18. Ces électrons secondaires 20 sont crées par l'impact d'ions du faisceau d'ions 4 sur les parois de l'environnement du dispositif 2. Ils sont attirés par le champ électrique local de forte intensité existant autour de la pointe 11. En absence du champ magnétique B, les électrons secondaires 20 pénètrent à l'intérieur de l'électrode d'extraction 12 par l'ouverture 16 et contaminent la source d'ions 18. Grâce au champ magnétique B au niveau de l'ouverture 16, les électrons secondaires 20 sont déviés de leur trajectoire, tel qu'on peut le voir à la figure 2, et sont interceptés par la paroi 14 de l'électrode d'extraction 12. Les électrons secondaires 20 sont ainsi neutralisés. Il convient de noter que le filtre magnétique selon l'invention peut aussi prendre d'autres formes que celle qui vient d'être décrite. En effet, pour atteindre le but recherché, il suffit d'un moyen quelconque, du moment qu'il soit apte à générer un champ magnétique adapté pour empêcher les électrons secondaires d'atteindre la source d'ions 18. Le dispositif de génération d'un faisceau d'ions selon l'invention présente en particulier les avantages suivants : - un fonctionnement plus stable de la source d'ions à faible courant d'émission ( En résumé ce dispositif permet de préserver l'intégrité de la source d'ions et par voie de conséquence d'espacer le nombre et la fréquence (i) des opérations de décontamination généralement effectuées par un chauffage de la source lesquelles nécessitent d'interrompre l'utilisation, impliquent un nouveau réglage de l'instrument et induisent une perte par évaporation du métal liquide et (ii) de remplacements des sources arrivées en fin de vie. L'invention permet d'améliorer la productivité du dispositif, l'utilisateur pouvant conserver les réglages opératoires (centrage optique de la source d'ions par rapport au système d'optique électrostatique, focalisation et correction de l'astigmatisme résiduel du faisceau) pendant des durées considérablement augmentées. REVENDICATIONS1.- Dispositif (2) de génération d'un faisceau d'ions (4) comportant une source d'ions (18), caractérisé en ce que la source d'ions est entourée d'un piège cryogénique (28) maintenu à basse température, ce piège cryogénique étant apte à piéger des espèces chimiques volatiles (G) par condensation avant qu'elles ne puissent atteindre la source d'ions. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le piège cryogénique (28) est maintenu à basse température par circulation ou accumulation d'un fluide cryogénique (30), le fluide cryogénique étant de préférence de l'azote liquide. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le piège cryogénique est maintenu à une température inférieure à 100 K. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 dans lequel le piège cryogénique comprend une gaine (32) à deux extrémités ouvertes (34, 36) entourant la source d'ions (18). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le piège cryogénique comprend un tube spiralé (38) à fluide cryogénique (30) enroulé autour de la gaine 20 (32). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l'une (36) des extrémités ouvertes de la gaine (32) sert au passage du faisceau d'ions (4) produit par la source d'ions. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la gaine est formé par une paroi de révolution (40), cette paroi comprenant une première section (S1) de forme cylindrique et une deuxième section (S2) de forme tronconique. 25 30 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le dispositif comprenant en outre une électrode d'extraction (12), le piège cryogénique entourant à la fois la source d'ions et l'électrode d'extraction. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel, l'électrode d'extraction (12) étant munie d'une ouverture (16) permettant le passage du faisceau d'ions (4), le dispositif comprend en outre un moyen (M1, M2) de génération d'un champ magnétique (B) apte à générer un champ magnétique (B) au niveau de l'ouverture (16) de l'électrode d'extraction (12), le champ magnétique (B) généré étant apte à dévier des particules chargées (20) attirées par la source d'ions de manière à ce que ces particules chargées n'atteignent pas la source d'ions. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le champ magnétique (B) généré est apte à dévier les particules chargées (20) de telle manière qu'elles rencontrent une paroi (14) de l'électrode d'extraction au lieu d'atteindre, en traversant l'ouverture (16) de l'électrode d'extraction, la source d'ions (18). 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le moyen (Ml, M2) de génération d'un champ magnétique est agencé au niveau de l'ouverture (16) de l'électrode d'extraction. 12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel l'ouverture (16) de l'électrode d'extraction est réalisée dans un renfoncement (26) de l'électrode d'extraction, le moyen (Ml, M2) de génération d'un champ magnétique étant placé à l'intérieur de ce renfoncement, en bordure de ladite ouverture (16). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel le moyen de génération d'un champ magnétique comprend au moins un aimant permanent (Ml, M2). 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le moyen de génération d'un champ magnétique est composé de deux aimants permanents (M1, M2) placés en vis-à-vis. 15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel les deux aimants permanents (M1, M2) définissent entre eux un entrefer (D) de préférence ajustable d'environ 2 à environ 4 mm. 16. Dispositif selon la revendication 15, dans lequel le champ magnétique (B) induit par les deux aimants permanents (Ml, M2) dans l'entrefer (D) est de l'ordre de 0,1 à 1 Tesla.