Brevet FR2961009A1 — publié le 20111209

Détecteur d'électrons secondaires énergétiques La présente invention concerne un détecteur d'électrons secondaires énergétiques. Le domaine de l'invention est donc celui de l'analyse des espèces 5 chargées dans un plasma, qu'il s'agisse d'ions positifs, d'ions négatifs ou d'électrons. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les implanteurs ioniques opérant en mode immersion plasma. Ainsi, l'implantation ionique d'un substrat consiste à l'immerger dans un 10 plasma et à le polariser en tension négative, de quelques dizaines de Volts à quelques dizaines de kilovolts (généralement moins de 100 kV), ceci de façon à créer un champ électrique capable d'accélérer les ions du plasma vers le substrat de sorte qu'ils s'y implantent. Les atomes ainsi implantés sont dénommés dopants. 15 La profondeur de pénétration des ions est déterminée par leur énergie d'accélération. Elle dépend d'une part de la tension appliquée au substrat et d'autre part de la nature respective des ions et du substrat. La concentration d'atomes implantés dépend de la dose qui s'exprime en nombre d'ions par cm2 et de la profondeur d'implantation. 20 II apparaît cependant que l'implantation a pour conséquence la production d'électrons secondaires au niveau du substrat. Ces électrons secondaires sont accélérés (dans le sens opposé aux ions positifs) par le potentiel appliqué au substrat et ils seront donc dénommés électrons secondaires énergétiques. 25 Un des paramètres essentiels lors de l'implantation est la dose des dopants implantés. Cette dose doit être connue avec précision. Un moyen connu pour estimer la dose d'implantation consiste à mesurer le courant d'implantation Ip au niveau du substrat. Il apparaît cependant que ce courant d'implantation Ip est la somme du courant ionique 1+ et du courant 30 d'électrons secondaires énergétiques L. Ainsi, pour obtenir la dose implantée par intégration temporelle du courant ionique 1+, il convient de soustraire le courant d'électrons secondaires L du courant d'implantation Ip. Plusieurs solutions sont connues pour détecter des espèces chargées au 35 sein d'un plasma. Le document WO 93 / 12534 enseigne un dispositif d'analyse en énergie pour mesurer l'énergie de particules chargées. Ce dispositif comporte un collecteur surmonté d'une première grille elle-même surmontée d'une deuxième grille, tous ces éléments électriquement conducteurs étant isolés. S'il s'agit de détecter les espèces négatives, la deuxième grille est polarisée négativement pour repousser les espèces négatives faiblement énergétiques et la première grille est polarisée pour repousser les espèces positives. La limitation essentielle de ce dispositif provient du fait que les électrons secondaires énergétiques produisent eux-mêmes des électrons secondaires peu énergétiques lorsqu'ils l0 percutent le collecteur. Ces électrons peu énergétiques sont alors pour partie captés par la première grille car celle-ci est polarisée positivement. L'estimation du courant d'électrons secondaires énergétiques est ainsi fortement biaisée. On connaît par ailleurs d'autres détecteurs d'espèces chargées qui comportent quatre grilles, cinq grilles voire davantage. Il s'agit là de structures 15 mécaniquement complexes qui nécessitent une électronique associée elle aussi complexe. On connaît encore l'article "A retarding field energy analyser for the Jet plasma boundary" Review of Scientific Instruments 74, 4644 (2003); doï : 10.1063/1.1619554. 20 Cet article propose un détecteur dit "RFA" pour "Retarding Field Analyser" en vocable anglais. Ce détecteur comporte un collecteur surmonté d'une première grille, elle-même surmontée d'une deuxième grille, elle-même surmontée d'une électrode de sélection. Cette électrode de sélection se présente comme un diaphragme qui présente une ouverture dont la surface est très 25 réduite car sa dimension est de l'ordre de grandeur de la longueur de Debye. Il s'ensuit que ce détecteur, notamment s'il est utilisé dans un implanteur ionique, ne détecte qu'une infime partie des électrons secondaires énergétiques. On remarquera par ailleurs que les tensions de polarisation appliquées sont incompatibles avec l'implantation en mode immersion plasma car elles sont 30 trop élevées. Il en résulterait une perturbation du plasma. La présente invention a ainsi pour objet un détecteur d'électrons secondaires énergétiques efficace qui soit mécaniquement simple à réaliser. Selon l'invention, un détecteur d'électrons secondaires énergétiques comportant un collecteur supportant exclusivement trois électrodes isolées les 35 unes des autres comporte : une première électrode de répulsion pour repousser les charges à écarter d'un signe prédéterminé, cette électrode étant munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, - une deuxième électrode de répulsion pour repousser les charges à écarter du signe opposé, cette électrode étant aussi munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, - une électrode de sélection, cette électrode étant également munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons de plus, les ouvertures des électrodes s'appuient sur un cylindre de conduction. D'autre part, le collecteur se présente comme une coupelle. Suivant une caractéristique additionnelle de l'invention, les électrodes sont en aluminium. De préférence, l'espacement entre deux électrodes consécutives est compris entre 6 et 10 mm. Idéalement, les ouvertures desdites électrodes ont une surface comprise entre 15 et 30 mm'. Suivant un premier mode de réalisation, les électrodes sont constituées par des grilles. Avantageusement, la transparence de ces grilles est supérieure à 50%. Il est de plus souhaitable que, la distance entre deux grilles consécutives étant notée h, le diamètre des orifices de ces grilles étant noté D, le rapport h/D soit supérieur à 1. Suivant un second mode de réalisation, les électrodes sont constituées par des par des anneaux. De même, la distance entre deux anneaux consécutifs étant notée h, le diamètre du cylindre de conduction étant noté D, le rapport h/D est supérieur à 1. L'invention vise aussi un procédé de détection d'électrons secondaires au moyen d'un détecteur comportant : un collecteur pour recueillir les charges requises, - une première électrode pour repousser les charges à écarter d'un signe prédéterminé, - une deuxième électrode pour repousser les charges à écarter du signe opposé, une électrode de sélection, ce collecteur étant pris comme référence, il consiste à appliquer : - une première tension continue négative sur la première électrode dont la valeur absolue est inférieure à 120 volts, - une deuxième tension continue positive sur la deuxième électrode, et - une troisième tension continue négative sur l'électrode de sélection. A titre d'exemple, la deuxième tension a une valeur absolue inférieure à 120 volts. De même, la troisième tension a une valeur absolue inférieure à 60 volts. 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 aux figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'un détecteur selon l'invention, la figure 2 représente une vue en coupe schématique d'un second mode de réalisation d'un détecteur, plus particulièrement : - la figure 2a, une première variante de ce second mode de réalisation, et la figure 2b, une seconde variante de ce second mode de réalisation. Les éléments présents sur plusieurs figures sont affectés d'une seule et 20 même référence, En référence à la figure 1, selon un premier mode de réalisation, le détecteur comprend un collecteur COL en forme de coupelle ou de cloche. Ce collecteur COL est relié à la masse par l'intermédiaire d'un ampèremètre AMP qui mesure le courant d'électrons secondaires. 25 Le collecteur COL est surmonté d'un premier isolateur Dl lui-même surmonté d'une première grille G1 électriquement conductrice. La première grille G1 est surmontée d'un deuxième isolateur D2 lui- même surmonté d'une deuxième grille G2 électriquement conductrice. La deuxième grille G2 est surmontée d'un troisième isolateur D3 lui- 30 même surmonté d'une troisième grille G3 électriquement conductrice. L'espacement entre les grilles G1-G2, G2-G3 est de préférence compris entre 6 et 10 mm. Il vaut typiquement 8 mm. La transparence, pour mémoire, se définit comme le rapport de la surface des ouvertures d'une grille à la surface totale de cette grille. Dans le cas 35 présent, la transparence doit être très élevée, de préférence supérieure à 50%. Ces ouvertures doivent par ailleurs présenter une surface relativement importante de sorte qu'elles ne captent pas les espèces chargées qui doivent atteindre le collecteur. Avantageusement, cette surface est comprise entre 15 et 30 mm2. A titre d'exemple, une ouverture circulaire présente un diamètre de l'ordre de 5 mm. Le détecteur doit remplir les fonctions suivantes - récupérer les électrons secondaires énergétiques sur le collecteur COL, - récupérer les électrons secondaires faiblement énergétiques sur le collecteur lorsqu'ils résultent de l'impact des électrons énergétiques, - repousser les ions et les électrons faiblement énergétiques du plasma. II convient également d'éviter la création d'un plasma ou d'un arc au sein du détecteur du fait des tensions de polarisation appliquées sur les grilles G1, G2, G3. Pour ce faire, on pourra se référer à la loi de Paschen. Le détecteur ne doit pas apporter des espèces contaminantes pour le plasma. Pour les applications du domaine de la microélectronique, le choix de l'aluminium pour les conducteurs et de l'alumine pour les isolants est avantageux. Il faut également éviter de perturber le plasma engendré au sein de l'implanteur ionique. La première grille G1 est polarisée au moyen d'un premier câble L1 à 20 une tension négative inférieure à 120 volts, typiquement 100 volts, par référence au collecteur COL. La deuxième grille G2 est polarisée au moyen d'un deuxième câble L2 à une tension positive inférieure à 120 volts, typïquement 100 volts, par référence au collecteur COL. 25 La troisième grille G3 est polarisée au moyen d'un troisième câble L3 à une tension négative inférieure à 60 volts, typiquement 50 volts, par référence au collecteur COL. En fait, selon ce premier mode de réalisation, le détecteur comporte une pluralité d'ouvertures, les ouvertures correspondant aux orifices alignés des trois 30 grilles. Ainsi, ces ouvertures sont alignées sur un cylindre de conduction de diamètre D. En notant donc D le diamètre de ces ouvertures et h la distance qui sépare deux grilles, le rapport h/D a un ordre de grandeur de l'ordre de 1,5 et est 35 en tout cas de préférence supérieur à 1. Selon un second mode de réalisation, le détecteur ne présente plus une pluralité d'ouvertures mais il présente une structure tubulaire présentant une seule ouverture. En référence à la figure 2a, selon une première variante, le collecteur P se présente maintenant comme un plateau. Ce collecteur est surmonté d'un premier anneau isolant 11, lui-même surmonté d'un premier anneau conducteur Al. Le diamètre interne de ces deux premiers anneaux vaut D. L'épaisseur du premier anneau isolant 11 est sensiblement plus importante que celle du premier anneau conducteur Al et la somme de ces deux épaisseurs vaut h. Le premier anneau conducteur Al est surmonté d'un deuxième anneau isolant 12, lui-même surmonté d'un deuxième anneau conducteur A2. Ces deuxièmes anneaux 12, A2 ont la même géométrie que les premiers anneaux 11, Al. Le deuxième anneau conducteur A2 est surmonté d'un troisième anneau isolant 13, lui-même surmonté d'un troisième anneau conducteur A3. Ces troisièmes anneaux 13, A3 ont eux aussi la même géométrie que les premiers anneaux 11, Al. Le collecteur P est ici encore raccordé à la masse par un ampèremètre AMP. La géométrie reproduit celle des ouvertures du premier mode de réalisation. Ainsi, le rapport h/D est de préférence supérieur à 1. Le premier A1, le second A2, respectivement le troisième anneau conducteur A3 sont polarisés comme la première G1, la deuxième G2, respectivement la troisième grille G3 du premier mode de réalisation. En référence à la figure 2b, selon une deuxième variante, le collecteur P se présente toujours comme un plateau. Ce collecteur est surmonté d'une première bague isolante S1, elle-même surmontée d'une première bague conductrice Ti. Le diamètre interne de ces deux premières bagues vaut encore D. L'épaisseur de la première bague isolante S1 est par contre sensiblement plus faible que celle de la première bague conductrice Ti et la somme de ces deux épaisseurs vaut toujours h. La première bague conductrice Ti est surmontée d'une deuxième bague isolante S2, elle-même surmontée d'une deuxième bague conductrice T2. Ces deuxièmes bagues S2, T2 ont la même géométrie que les premières bagues S1, Tl. De même, la deuxième bague conductrice T2 est surmontée d'une troisième bague isolante S3, elle-même surmontée d'une troisième bague conductrice T3. Ces troisièmes bagues S3, T3 ont elles aussi la même géométrie que les premières bagues S1, Ti. Ici encore, la géométrie reproduit celle des ouvertures du premier mode de réalisation. Ainsi, le rapport h/D est de préférence supérieur à 1. En fait, selon cette seconde variante, les bagues sont analogues aux anneaux de la première variante, mais les épaisseurs des éléments isolants et conducteurs sont inversées. L'exemple de réalisation de l'invention présenté ci-dessus a été choisi eu égard à son caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1) Détecteur d'électrons secondaires énergétiques comportant un collecteur (COL, P) supportant exclusivement trois électrodes isolées les unes des autres : une première électrode de répulsion (Gl, Al, Ti) pour repousser les charges à écarter d'un signe prédéterminé, cette électrode étant munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, - une deuxième électrode de répulsion (G2, A2, T2) pour repousser les charges à écarter du signe opposé, cette électrode étant aussi munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, une électrode de sélection (G3, A3, T3), cette électrode étant également munie d'au moins une ouverture pour permettre le passage des électrons, caractérisé en ce que les ouvertures desdites électrodes s'appuient sur un cylindre de conduction (D). 2) Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit collecteur (COL) se présente comme une coupelle. 3) Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites électrodes (G1-Al-T1, G2-A2-T2, G3-A3-T3) sont en aluminium. 4) Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espacement entre deux électrodes (G1-G2, G2-G3) consécutives est compris entre 6 et 10 mm. 30 5) Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ouvertures desdites électrodes (G1-Al-T1, G2-A2-T2, G3-A3-T3) ont une surface comprise entre 15 et 30 mm2. 6) Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, 35 caractérisé en ce que lesdites électrodes sont constituées par des grilles (Gl, G2, G3). 825 7) Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la transparence desdites grilles (G1, G2, G3) est supérieure à 50%. 8) Détecteur selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que, la distance entre deux grilles consécutives étant notée h, le diamètre des orifices desdites grilles étant noté D, le rapport h/D est supérieur à 1. 9) Détecteur selon rune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont constituées par des anneaux (A1-T1, A2-T2, A3-T3). 10) Détecteur selon la revendication 9 caractérisé en ce que, la distance entre deux anneaux consécutifs étant notée h, le diamètre dudit cylindre de conduction étant noté D, le rapport h/D est supérieur à 1. 11) Procédé de détection d'électrons secondaires au moyen d'un détecteur comportant : un collecteur (COL) pour recueillir les charges requises, une première électrode (G1, Al, Ti) pour repousser les charges à écarter d'un signe prédéterminé, une deuxième électrode (G2, A2, T2) pour repousser les charges à écarter du signe opposé, une électrode de sélection (G3, A3, T3), caractérisé en ce que, ledit collecteur (COL) étant pris comme référence, il consiste à appliquer : - une première tension continue négative sur la première électrode (G1, Al, Ti) dont la valeur absolue est inférieure à 120 volts, - une deuxième tension continue positive sur la deuxième électrode (G2, A2, T2), et - une troisième tension continue négative sur ladite électrode de sélection (G3, A3, T3).35 12) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite deuxième tension a une valeur absolue inférieure à 120 volts. 13) Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé 5 en ce que ladite troisième tension a une valeur absolue inférieure à 60 volts.